Simulação computacional de materiais bidimensionais: funcionalização de defeitos extensos no grafeno e retenção de contaminantes por argilominerais

In this work are considered two bidimensional systems, with distints chacacteristcs and applicabilitys. Is studied the adsorption of transition metals (MT) Fe, Co, Mn and Ru in extended defects, formed by graphene grain boundaries. First in pristine graphene The hollow site of carbon hexagon, in pristine graphene, are the most stable for MT adsorption. The Dirac cone in eletronic structure of graphene was manteined with the presence of MT. For the considered grain boundaries the MT has a greater stability for absorption in the grain boundaries sites in comparison with pristine graphene. Through the energy barrier values, are observed diffusion chanels for MT localized on the grain boundaries. This diffusion chanels indicate a possible formation of nanolines of MT in graphene. For the first stage of the nanolines, ate observed a better stability for the system with greater MT concentration, due to MT-MT interactions. Also, due to the magnetic moment of the MT, the nanolines show a magnetization. For the most stable configurations the system are metallics, particularly for Fe the band structure indicates an anisotropic spin current. In a second study, are considereted the retention capacity for metallic contaminants Cd and Hg in clayminerals, kaolinite (KAO) and montmorillonite (MMT). Through the adsorption energies of contaminantes in the clayminerals, was observed a increase in stability with the increase of contaminants concentration, due to the interaction Cd-Cd and Hg-Hg. Also, was observed that KAO has a strong interaction beteween monolayers than MMT. In this sence, for the adsoption process of contaminantes in the natural form of KAO and MMT, the latter has a better retention capacity, due to the small net work for contaminant intercalation. However, when the modification of clayminerals, with molecules that increase the spacing between monolayers, exist a optimal condition, which the contaminant absorption are more stable in KAO system than in MMT. In the Langmuir adsorption model for the clayminerals in the optimal monolayer spacing, the retention capacity for Cd and Hg in KAO system are 21% greater than in MMT system. Also, for the X-ray Absorption Near Edge Spectroscopy (XANES) for the K edge of Cd and Hg, are found a positive shift of absorption edge with the decreasing of monolayer spacing. This result indicates a possible way to determine the concentration of adsorbed contaminats in relation to unabsorbed ones, from the decomposition of experimental XANES in the obteined spectras.

Dissertação (Mestrado)

Neste trabalho foram estudados dois sistemas bidimensionais, com diferentes características e aplicabilidade. Estudou-se a adsorção¸ dos metais de transição (MT) Fe, Co, Mn, e Ru sobre defeitos extensos, formados por fronteiras de grãos no grafeno. Primeiramente para o grafeno pristino, a adsorção¸ dos MT é mais estável no sítio central ao hexágono formado pelos carbonos. Na estrutura eletrônica o cone de Dirac do grafeno é preservado na presença dos MT. Para as fronteiras de grãos consideradas os MT possuem uma maior estabilidade, perante a adsorção¸, sobre os sítios da fronteira em relação ao do grafeno pristino. Através das barreiras de energia, observou-se canais de difusão para os MT sobre o defeito extenso. Estes canais de difusão indicam uma possível formação de nanolinhas de MT sobre o grafeno. Estudando um primeiro estágio das nanolinhas, observa-se a maior estabilidade do sistema com uma maior concentração dos MT sobre o defeito extenso, devido à interação MT-MT. Devido a magnetização dos MT de transição considerados, as nanolinhas possuem uma magnetização o não nula. Para as configuração mais estáveis os sistemas são metálicos, em particular para o Fe as estrutura de bandas indicam a existência de uma corrente anisotrópica por polarização de spin. No segundo estudo, foi considerada a capacidade de retenção de contaminantes metálicos Cd e Hg, nos argilominerais kaolinita (KAO) e montmorilonita (MMT). Através das energias de adsorção¸ dos contaminantes nos argilominerais, foi observada o aumento da estabilidade do sistema com a concentração, devido `a maior interaçãoo Cd-Cd e Hg-Hg. Foi observado ainda, que a KAO possui ligação mais forte entre monocamadas comparado com a MMT. Desta forma no processo de adsorção¸ ˜ao dos contaminantes nas formas naturais da KAO e MMT, esta ´ultima possui uma melhor capacidade de retenção de contaminantes, uma vez que o gasto energético necessário na intercalação dos contaminantes ´e menor. No entanto, quando se considera a modificação dos argilominerais, com moléculas que aumentam o espaçamento de suas monocamadas, existe uma condição ótima em que a KAO se torna mais favorável no processo de intercalação dos contaminantes. Através do modelo de adsorção de Langmuir para os argilominerais no espaçamento ótimo, obteve-se uma capacidade de retenção para a KAO 21% maior que a capacidade da MMT. A determinação do Espectro de Absorção de raios-X (XANES) próximos `a borda K para o Cd e Hg, permitiu a verificação de um deslocamento positivo da borda de adsorção¸ com a diminuição do espaçamento entre monocamadas. Este resultado indica a possibilidade da determinação da porcentagem de metais adsorvidos entre as monocamadas em relação aos não adsorvidos, a partir da decomposição do XANES experimental nos espectros encontrados.