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Doctoral Thesis
DOI
Document
Author
Full name
Rafael Costa Amaral
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Carlos, 2019
Supervisor
Committee
Silva, Juarez Lopes Ferreira da (President)
Fileti, Eudes Eterno
Braga, Ataualpa Albert Carmo
Gomes, Janaina Fernandes
Lima, Matheus Paes
Santos, Ricardo Paupitz Barbosa dos
Title in Portuguese
Estudo ab initio da adsorção de metanol, etanol e glicerol sobre superfícies de platina com defeitos e ligas de Pt3Ni com tensões
Keywords in Portuguese
defeitos de superfície
glicerol
ligas intermetálicas
reaxFF
superfícies de metais de transição
teoria do funcional da densidade
Abstract in Portuguese

Diversos pesquisadores vêm sugerindo o uso de glicerol e outros alcoóis como matéria-prima para produção de bens de maior valor agregado e para geração de energia elétrica, através de células a combustível. Contudo, o sucesso dessas tecnologias de conversão depende do desenvolvimento de catalisadores mais eficientes. Nesse aspecto, abordagens teóricas se apresentam como ferramentas auxiliares, capazes de fornecer informações difíceis de serem acessadas experimentalmente e que são fundamentais para o projeto de materiais mais eficientes. Nesta tese, foram investigados, via teoria do funcional da densidade (DFT), o papel de defeitos de superfície e efeitos de tensão na adsorção de alcoóis como metanol, etanol e glicerol, sobre superfícies Pt(111) contendo defeitos e ligas de Pt3Ni(111). Para melhorar a descrição dos sistemas de adsorção, foi adicionada a correção de dispersão DFT-D3 à abordagem da DFT. Através da dinâmica molecular empregando o potencial ReaxFF, foram estudados os efeitos de temperatura sobre glicerol, em diversos níveis de recobrimento de superfície, interagindo com os substratos Pt3Ni(111). Os resultados mostram que o glicerol se liga através do oxigênio dos grupos hidróxi aos sítios top de metais de transição (TM), orientando sua cadeia carbônica quase que totalmente paralela à superfície. Os cálculos de energia de adsorção indicam que o glicerol interage mais fortemente com sítios de baixa coordenação, presentes em superfícies com defeitos, o que pode ser compreendido por meio do modelo da banda d. Além disso, a presença de múltiplos sítios de baixa coordenação favorece configurações onde o glicerol se liga à superfície por dois grupos hidróxi, um central e um terminal. Entretanto, existe uma clara preferência de alcoóis se ligarem a sítios de adsorção catiônicos, indicando que a influência de interações Coulombianas é um fator preponderante no processo de adsorção de alcoóis sobre TM. Análises de densidade eletrônica dos sistemas adsorvidos sugerem que a adsorção promove perturbações na densidade eletrônica dos alcoóis, como o deslocamento de densidade eletrônica das ligações C-O e O-H para a região de interação entre a molécula e o substrato, que estão associadas ao estiramento/enfraquecimento das ligações C-O e O-H observados através de análises estruturais. Os resultados DFT também demonstraram que a adição da correção de dispersão DFT-D3 melhorou a descrição das energias de adsorção e se mostrou essencial para reproduzir a tendência do crescimento da energia de adsorção com o tamanho molecular dos alcoóis, enquanto sua natureza atrativa promoveu a diminuição das distâncias atômicas entre alcoóis e substratos. O estudo de dinâmica molecular mostrou que a configuração de adsorção DFT se mantém apenas em temperaturas próximas de 0 K e que outras configurações são favorecidas a temperaturas mais altas. A presença de outras moléculas de glicerol promove, mediante o aquecimento do sistema, a formação de aglomerados de moléculas ligadas através de interações de hidrogênio, o que estabiliza as moléculas e, provavelmente, retarda seu processo de dessorção. Nos sistemas com maior densidade de moléculas, observou-se, ao final da simulação, a formação de fragmentos CH3OH-CHOH-CH2O- e átomos de H adsorvidos na superfície, indicando a quebra de ligações O-H do grupo hidróxi terminal.

Title in English
Ab initio study of methanol, ethanol and glycerol adsorption on defected platinum surfaces and strained Pt3Ni alloys
Keywords in English
defected surfaces
density functional theory
glycerol
intermetallic alloys
reaxFF
transition-metal surfaces
Abstract in English

Several researchers have been suggesting the use of glycerol and other alcohols as a feedstock to produce higher value-added goods and electricity through fuel cells. However, the success of these conversion technologies depends on the development of efficient catalysts. In this context, theoretical approaches are useful tools that are able to yield important insights that could not be easily obtained from experiments and are fundamental for the future design of more efficient materials. Hence, in this thesis, we investigated via density functional theory (DFT) the role of surface defects and strain effects on the adsorption of methanol, ethanol and glycerol on defected Pt(111) and Pt3Ni-based surfaces. To improve the description of the adsorbed systems, we added the van der Waals (vdW) correction DFT-D3 to the DFT approach. We also studied through molecular dynamics, employing the ReaxFF potential, the effects of temperature on the glycerol, considering different levels of surface coverage, interacting with the Pt3Ni(111) substrates. Our results show that the glycerol binds through the oxygen from a terminal hidroxi group to top sites of transition-metals (TM) with the carbon chain almost parallel to the surface. The calculations of adsorption energy indicate that glycerol interacts strongly with low-coordinated sites, such as those of surface defects, which can be rationalized through the d-band model. Furthermore, the presence of multiple low-coordinated sites was related with configurations where the glycerol binds to the substrates by two hidroxi groups, the central and a terminal one. However, there is a clear preference of the alcohols to bind on cationic adsorption sites, which indicates that the Coulomb interactions play a major role on the adsorption process of alcohols on TM. Electron density analyzes suggest that the adsorption promotes perturbations in the electronic density of the alcohols, such as a partial displacement of electron density from the C-O and O-H bonds to the region between the molecule and the substrate, which are related with the stretching/weakening of the C-O e O-H, as found in the structural analyzes. The DFT results also show that the addition of the DFT-D3 dispersion correction enhanced the adsorption energies and was essential to reproduce correctly the dependence of the binding energy with the molecule size, while its attractive nature promoted the decrease of the atomic distances between alcohols and substrates. The molecular dynamics showed that the glycerol DFT lowest energy adsorption configuration is maintained for temperatures close to 0 K whereas different configurations are favored in higher temperatures. In the presence of multiple glycerol molecules, the heating of the system promotes the formation of molecular clusters bound through hydrogen interactions, which stabilize the molecules and, probably, delay the desorption process. In the systems with higher molecular density, we found that CH3OH-CHOH-CH2O- fragments and H atoms are formed in the end of the simulation, which indicates that the breaking of O-H bonds from the terminal hidroxi groups is promoted.

 
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Publishing Date
2019-04-23
 
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