Photocatalytic decomposition of methylene blue via Fenton mechanisms by silicon wafer doped with Au and Cu: a theoretical and experimental study

In this work, we studied the photocatalytic and the structural aspects of silicon wafers doped with Au and Cu submitted to thermal treatment. The materials were obtained by deposition of metals on Si using the sputtering method followed by fast heating method. The photocatalyst materials were characterized by synchrotron-grazing incidence X-ray fluorescence, ultraviolet-visible spectroscopy, X-ray diffraction, and assays of H(2)O(2) degradation. The doping process decreases the optical band gap of materials and the doping with Au causes structural changes. The best photocatalytic activity was found for thermally treated material doped with Au. Theoretical calculations at density functional theory level are in agreement with the experimental data.

Structural conditions that leads to photoluminescence emission in SrTiO3: An experimental and theoretical approach

Complex cluster [TiO5 center dot V-O(z)] and [SrO11 center dot V-O(z)] (where V-O(z)=V-O(X), V-O(center dot), V-O(center dot center dot)) vacancies were identified in disordered SrTiO3 powders prepared by the polymeric precursor method, based on experimental measurements by x-ray absorption near edge structure spectroscopy. The paramagnetic complex states of [TiO5 center dot V-O(center dot)] and [SrO11 center dot V-O(center dot)] with unpaired electrons were confirmed by electron paramagnetic resonance spectroscopy. The disordered powders showed strong photoluminescence at room temperature. Structural defects of disordered powders, in terms of band diagram, density of states, and electronic charges, were interpreted using high-level quantum mechanical calculations in the density functional framework. The four periodic models used here were consistent with the experimental data and explained the presence of photoluminescence. (C) 2008 American Institute of Physics.

Relaxation effects on the negatively charged Mg impurity in zincblende GaN

The electronic structure of Mg impurity in zincblende (c-)GaN is investigated by using the ab initio full potential linear-augmented plane-wave method and the local density-functional approximation. Full geometry optimization calculations, including nearest and next-nearest neighbor displacements, are performed for the impurity in the neutral and negatively charged states. A value of 190 ± 10 meV was obtained for the Franck-Condon shift to the thermal energy, which is in good agreement with that observed in recent low temperature photoluminescence and Hall-effect measurements. We conclude that the nearest and next-nearest neighbors of the Mg impurity replacing Ga in C-GaN undergo outward relaxations which play an important role in the determination of the center acceptor energies.

Hydrogen oxidation on ordered intermetallic phases of platinum and tin - A combined experimental and theoretical study

Hydrogen oxidation on the surfaces of the intermetallic compounds Pt 3Sn, PtSn and PtSn2 has been studied by the rotating disc electrode technique. Pt3Sn and PtSn were found to be good catalysts, about as good as Pt, while PtSn2 was inactive over the investigated range of potentials. Underpotential deposition of hydrogen is observed only on Pt3Sn. These results are explained by theoretical calculations based on a theory developed within our own group, and by density functional theory. © 2012 Elsevier B.V.

Structure control of poly(p-phenylene vinylene) in layer-by-layer films by deposition on a charged poly(o-methoxyaniline) cushion

In this paper, we demonstrate that the intrinsic electric field created by a poly(o-methoxyaniline) (POMA) cushion layer hinders the changes in molecular conformation of poly(p-phenylenevinylene) (PPV) in layer-by-layer with dodecylbenzene sulfonic acid (DBS). This was modeled with density functional theory (DFT) calculations where an energy barrier hampered molecular movements of PPV segments when they were subjected to an electric field comparable to that caused by a charged POMA layer. With restricted changes in molecular conformation, the PPV film exhibited Franck-Condon transitions and the photoexcitation spectra resembled the absorption spectra, in contrast to PPV/DBS films deposited directly on glass, with no POMA cushion. Other effects from the POMA cushion were the reduced number of structural defects, confirmed with Raman spectroscopy, and an enhanced PPV emission at high temperatures (300 K) in comparison with the films on bare glass. The positive effects from the POMA cushion may be exploited for enhanced opto-electronic devices, especially as the intrinsic electric field may assist in separating photoexcited electron-hole pairs in photovoltaic devices. © 2013 American Institute of Physics.

A combined theoretical and experimental study of electronic structure and optical properties of β-ZnMoO4 microcrystals

In this paper, a combined theoretical and experimental study on the electronic structure and photoluminescence (PL) properties of beta zinc molybdate (β-ZnMoO4) microcrystals synthesized by the hydrothermal method has been employed. These crystals were structurally characterized by X-ray diffraction (XRD), Rietveld refinement, Fourier transform Raman (FT-Raman) and Fourier transform infrared (FT-IR) spectroscopies. Their optical properties were investigated by ultraviolet-visible (UV-Vis) absorption spectroscopy and PL measurements. First-principles quantum mechanical calculations based on the density functional theory at the B3LYP level have been carried out. XRD patterns, Rietveld refinement, FT-Raman and FT-IR spectra showed that these crystals have a wolframite-type monoclinic structure. The Raman and IR frequencies experimental results are in reasonable agreement with theoretically calculated results. UV-Vis absorption measurements shows an optical band gap value of 3.17 eV, while the calculated band structure has a value of 3.22 eV. The density of states indicate that the main orbitals involved in the electronic structure of β-ZnMoO4 crystals are (O 2p-valence band and Mo 4d-conduction band). Finally, PL properties of β-ZnMoO4 crystals are explained by means of distortions effects in octahedral [ZnO6] and [MoO6] clusters and inhomogeneous electronic distribution into the lattice with the electron density map. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Local electronic structure, optical bandgap and photoluminescence (PL) properties of Ba(Zr0.75Ti0.25)O3 powders

Ba(Zr0.75Ti0.25)O3 (BZT-75/25) powders were synthesized by the polymeric precursor method. Samples were structurally characterized by X-ray diffraction (XRD), Rietveld refinement, X-ray absorption near-edge structure (XANES) and extended X-ray absorption fine structure (EXAFS) techniques. Their electronic structures were evaluated by first-principle quantum mechanical calculations based on density functional theory at the B3LYP level. Their optical properties were investigated by ultraviolet-visible (UV-Vis) spectroscopy and photoluminescence (PL) measurements at room temperature. XRD patterns and Rietveld refinement data indicate that the samples have a cubic structure. XANES spectra confirm the presence of pyramidal [TiO5] clusters and octahedral [TiO6] clusters in the disordered BZT-75/25 powders. EXAFS spectra indicate distortion of Ti-O and Ti-O-Ti bonds the first and second coordination shells, respectively. UV-Vis absorption spectra confirm the presence of different optical bandgap values and the band structure indicates an indirect bandgap for this material. The density of states demonstrates that intermediate energy levels occur between the valence band (VB) and the conduction band (CB). These electronic levels are due to the predominance of 4d orbitals of Zr atoms in relation to 3d orbitals of Ti atoms in the CB, while the VB is dominated by 2p orbitals related to O atoms. There was good correlation between the experimental and theoretical optical bandgap values. When excited at 482 nm at room temperature, BZT-75/25 powder treated at 500 C for 2 h exhibited broad and intense PL emission with a maximum at 578 nm in the yellow region. © 2013 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Towards an insight on photodamage in hair fibre by UV-light: An experimental and theoretical study

Synopsis: Objectives: In this research, an experimental and theoretical study was conducted to design a photodegradation mechanism of the amino acid tryptophan (Trp) in hair fibres. Methods: For the experimental research, Caucasian hair fibres were exposed to several different solar radiation simulation periods. Then, Trp and its photoproducts (N-formylkynurenine and kynurenine) were assayed by excitation and emission spectroscopic analysis. Results: For the theoretical study, reactions involved in the photodegradation of Trp were evaluated by high-level quantum mechanical calculations in a density functional theory (DFT) framework which indicate a probable Trp degradation mechanism with a minimum expended energy pathway. Conclusion: The biochemistry concerning these reactions is essentially important for a biological system where the degradation of Trp occurs. © 2013 John Wiley & Sons Ltd.

Fabricação e caracterização de filmes finos de perileno: arquitetura molecular e aplicações sensoriais

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Métodos periódicos aplicados à determinação e análise de propriedades eletrônicas e elásticas em peroviskitas do tipo BaZrO.3 e BaTiO.3

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

A teoria do funcional da densidade na caracterização de fases intermetálicas ordenadas

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Modelagem em simulação computacional do cristal e superfícies do BaZr'O IND. 3' e SrZrO IND. 3': propriedades eletrônicas e estruturais

Pós-graduação em Ciência e Tecnologia de Materiais - FC

Estudo de solvatocromismo em líquidos moleculares orgânicos via método seqüencial Monte Carlo/Mecânica Quântica

Utilizou-se o método seqüencial Monte Carlo / Mecânica Quântica para obterem-se os desvios de solvatocromismo e os momentos de dipolo dos sistemas de moléculas orgânicas: Uracil em meio aquoso, -Caroteno em Ácido Oléico, Ácido Ricinoléico em metanol e em Etanol e Ácido Oléico em metanol e em Etanol. As otimizações das geometrias e as distribuições de cargas foram obtidas através da Teoria do Funcional Densidade com o funcional B3LYP e os conjuntos de funções de base 6-31G(d) para todas as moléculas exceto para a água e Uracil, as quais, foram utilizadas o conjunto de funções de base 6-311++G(d,p). No tratamento clássico, Monte Carlo, aplicou-se o algoritmo Metropólis através do programa DICE. A separação de configurações estatisticamente relevantes para os cálculos das propriedades médias foi implementada com a utilização da função de auto-correlação calculada para cada sistema. A função de distribuição radial dos líquidos moleculares foi utilizada para a separação da primeira camada de solvatação, a qual, estabelece a principal interação entre soluto-solvente. As configurações relevantes da primeira camada de solvatação de cada sistema foram submetidas a cálculos quânticos a nível semi-empírico com o método ZINDO/S-CI. Os espectros de absorção foram obtidos para os solutos em fase gasosa e para os sistemas de líquidos moleculares comentados. Os momentos de dipolo elétrico dos mesmos também foram obtidos. Todas as bandas dos espectros de absorção dos sistemas tiveram um desvio para o azul, exceto a segunda banda do sistema de Beta-Caroteno em Ácido Oléico que apresentou um desvio para o vermelho. Os resultados encontrados apresentam-se em excelente concordância com os valores experimentais encontrados na literatura. Todos os sistemas tiveram aumento no momento de dipolo elétrico devido às moléculas dos solventes serem moléculas polares. Os sistemas de ácidos graxos em álcoois apresentaram resultados muito semelhantes, ou seja, os ácidos graxos mencionados possuem comportamentos espectroscópicos semelhantes submetidos aos mesmos solventes. As simulações através do método seqüencial Monte Carlo / Mecânica Quântica estudadas demonstraram que a metodologia é eficaz para a obtenção das propriedades espectroscópicas dos líquidos moleculares analisados.

Investigação da dinâmica sequêncial Monte Carlo/Mecânica Quântica para sitemas moleculares orgânicos

O principal objetivo deste trabalho é investigar teóricamente as propriedades eletrônicas e óticas de compostos orgânicos em ambiente líquido. A compreensão das interações em sistemas líquidos é muito importante para a descrição de fenômenos em muitas partes da ciência, como Física, Química, Biologia e Materiais, bem como no desenvolvimento de materiais óticos. As flutuações térmicas fazem que inumaram das configurações para os líquidos possam ser gerados. Esta é a razão do comportamento estatístico observado em sistemas líquidos. Considerando estas dificuldades, o tratamento sequencial Monte Carlo / Mecânica Quântica (SMC/QM) é usado neste trabalho. Neste procedimento, a estrutura líquida é gerada primeiramente por simulações clássicas de MC e mais tarde, somente a parte mais importante do sistema é tratada com mecânica quântica. Usando o procedimento acima, os propriedades do quantum o pirazine dimethyl do thiene Methyl da laranja (MO) e do O 2,3-dimetil tieno[3,4-b] pirazina (DTP) foram investigados. O MO é um conhecido indicador de pH e pode ser encontrado sob circunstâncias básicas e acidas. Suas geometrias de mínima energia foram obtidas mediante a Teoria do Funcional da Densidade pelo funcional B3LYP, sendo o sistema descrito pelas bases de Pople com uma função de polarização (6-31G*). Para obter as propriedades médias dos observaveis, cálculos de química quântica foram executados dentro da aproximação semi-empírica de INDO/S-CI. Com respeito ao espectro de absorção, os dados experimentais existentes na literatura científica reportam a existência de uma larga banda localizada na região de baixas energias, mais precisamente entre 400 e 600 nm. Nossos resultados teóricos para a forma alcalina mostram uma transição intensa transição π → π* aproximadamente à 432.4 ± 0.03 nm e, sob condições ácidas, esta transição aparece aproximadamente à 507.4 ± 0.12, 496.4 ± 0.28 ou 545.3 ± 0.10 nm, dependendo da estrutura, mostrando bom acordo com resultados experimentais. O DTP é um sistema particular usado na produção de polímeros de baixo gap. Suas propriedades elétricas e óticas foram obtidas através de um novo procedimento conhecido por Configuração Eletrostática Média do Solvent (ASEC). O procedimento ASEC inclui moléculas do solvente como cargas pontuais e permite o obtenção das quantidades quânticas executando somente poucos cálculos de mecânica quântica. Para o DTP, usando a teoria das perturbações de segunda ordem Mφller-Plesset (MP2) e o conjunto de bases aug-cc-pVDZ, a convergência do momento de dipolo foi alcançada com apenas quatro cálculos de mecânica quântica à 1.16 D, apresentando um aumento de 42% quando comparado ao dipolo isolado. O polarizabilidade corresponde à outra característica elétrica que pôde ser medida. Considerando o mesmo nível empregado ao cálculo do dipolo, o valor médio 132.7 a30 foi observado. A região de mais baixas da energias do espectro de absorption foi investigada também atravé de procedimento de ASEC usando ambos as aproximações, semi-empírico e DFT. Esta região de absorção é motivo de conclusões contraditórias com relação à natureza das transições n → π* e π → π*. Nossos resultados mostram que realmente que essas excitações são realmente observadas simultanemente podendo sobrepôr-se. Como exemplo, nossos resultados para DFT, encontrados usando o funcional B3LYP nos mostra que estas transições aparecem aproximadamente à 360.6 e 351.1 nm.

Propriedades magnéticas de nanoestruturas de metais de transição 3d em superfícies de Pd

Motivados por estudos experimentais acerca de monocamadas de metais de transição 3d sobre superfícies de Pd, nesta dissertação investigamos o complexo magnetismo de nanoestruturas, embebidas ou adsorvidas, em superfícies metálicas através de cálculos de primeiros princípios. Utilizamos o método RS-LMTO-ASA (Real Space - Linear MuffinTin Orbital - Atomic Sphere Approximation), o qual é baseado na teoria do funcional da densidade (DFT - Density Functional Theory) e implementado para o cálculo de estruturas magnéticas não colineares. Com este propósito, investigamos nanoestruturas embebidas e ligas (2 x 2) de metais 3d (Cr, Mn, Fe, Co e Ni) na superfície Pd (110), além de nanoestruturas de Cr adsorvidas sobre a superfície de Pd (111). Primeiro, para as nanoestruturas embebidas na superfície Pd (110), analisamos a variação do momento magnético de spin orbital com relação ao número de vizinhos e de valência dos metais 3d. Também mostramos que estas estruturas têm ordenamento magnético colinear, exceto as de Cr e Mn, que apresentam magnetismo não colinear associado à frustração geométrica. Para o caso de nanofios de Cr adsorvidos sobre a superfície de Pd (111), verificamos uma configuração colinear antiferromagnética para cadeias com até 9 átomos. Para o nanofio com 10 átomos obtivemos uma configuração tipo antiferromagnética inclinada (canted). No caso de nanoestruturas de Cr bidimensionais, verificamos complexas configurações magnéticas não colineares com diferentes quiralidades.