First-principle study of native defects in CuScO2 and CuYO2

This paper studies the electronic structure and native defects intransparent conducting oxides CuScO2 and CuYO2 using the first-principle calculations. Some typical native copper-related and oxygen-related defects, such as vacancy, interstitials, and antisites in their relevant charge state are considered. The results of calculation show that, CuMO2 (M = Sc, Y) is impossible to shown-type conductivity ability. It finds that copper vacancy and oxygen interstitial have relatively low formation energy and they are the relevant defects in CuScO2 and CuYO2. Copper vacancy is the most efficient acceptor, and under O-rich condition oxygen antisite also becomes important acceptor and plays an important role in p-type conductivity.

Estudio de la factibilidad de aplicación, a escala planta piloto, del catalizador Cr2O3/Al2O3 en la reducción de emisión de SO2 a la atmósfera, proveniente de fuentes fijas : avances 2013

Resumen: Se planificaron las experiencias con el objeto de analizar el comportamiento del catalizador en la columna metálica de mayor diámetro. Se modificaron las masas usadas para verificar la eficiencia de retención respecto de la masa. Se realizaron ciclos de adsorción, desorción y readsorción sobre una misma muestra para determinar variaciones en la eficiencia del catalizador. En otra fase, en colaboración con el Dr. V. A. Ranea y el Dr. E. E. Mola (INIFTA, UNLP), se desarrolló el estudio teórico de la adsorción de moléculas de SO2, CH4, CO2, O2 y CO sobre Cr2O3(0001) mediante Teoría del Funcional Densidad (programa VASP, Vienna Ab-initio Simulation Package), y el estudio de la cinética de la reacción entre CH4, SO2 y el O2 junto con la presencia de especies sulfito y sulfato. Este estudio permitió hallar los sitios preferenciales de adsorción de S0 y la posible competencia con SO2 experimentalmente y por cálculos teóricos. Experimentalmente, se observa que la eficiencia de adsorción del catalizador respecto al SO2 es cercana al 100%. Se observa un pico de termodesorción a 1120 K. Luego, se estudió la oxidación de CH4 con SO2. Se observa que hay producción de CO2 desde temperatura inicial, seguida de un aumento significativo en la formación de CO2 hasta 330-340 K. Luego, la producción de CO2 se mantiene aproximadamente constante. Mediante el empleo de la ecuación de Arrhenius y resultados experimentales, se obtuvo la energía de activación de la reacción global, de 7 Kcal/mol. Mediante estudios teóricos, se determinó que la energía de quimisorción del SO2 sobre el Cr2O3 es de -3.09 eV para la configuración más estable, una energía de adsorción de O2 en estado disociativo de -1.567 eV, una energía para CH4 sobre O2 adsorbido previamente de -0.335 eV, y -0.812 eV para la configuración más estable de CO2 sobre el sustrato.

Estudio de la factibilidad de aplicación, a escala planta piloto, del catalizador Cr2O3 soportado en alúmina en la reducción de emisión de SO2 a la atmósfera, proveniente de fuentes fijas : avances 2012

Resumen: Se realizaron las experiencias planificadas con el objeto de analizar el comportamiento del catalizador en la columna metálica, para simular condiciones de planta piloto. Se modificaron las masas de catalizador y se realizaron ciclos de adsorción, desorción y readsorción sucesivos sobre una misma muestra, con lo que se determinaron variaciones en la eficiencia del mismo. En otra fase se desarrolló el estudio teórico de la adsorción de O2 y CO2 sobre el mismo sustrato, y el estudio de la cinética de la reacción entre CH4, SO2 y el O2 por medio del programa VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package). Se verificó, a través de los datos experimentales y teóricos y en colaboración con el Dr. V. A. Ranea y el Prof. E. E. Mola (INIFTA, UNLP), la presencia de especies sulfito y sulfato sobre la superficie del soporte. Experimentalmente, se observa que la eficiencia de adsorción del catalizador respecto al SO2 es cercana al 100%. Se observa un pico de termodesorción a 1120 K. Luego, se estudió la oxidación de CH4 con SO2. Se observa que hay producción de CO2 desde temperatura inicial, seguida de un aumento en la formación de CO2 hasta 330-340 K. Luego, la producción de CO2 se mantiene aproximadamente constante. Mediante el empleo de la ecuación de Arrhenius y resultados experimentales, se obtuvo la energía de activación de la reacción global, de 7 Kcal/mol. También se observó que el incremento del flujo de SO2 a valores superiores a 200 ml/min no incrementa la cantidad de SO2 retenida en el rango de 923-1023K. Para un incremento de masa de sustrato catalítico de 0,025 a 0,050 g, la masa retenida de SO2 se incrementa un 70,61%. Mediante estudios teóricos, se determinó que la energía de quimisorción del SO2 sobre el Cr2O3 es de -3.09 eV para la configuración más estable.

Estudio de la factibilidad de aplicación, a escala planta piloto, del catalizador Cr2O3, soportado en alúmina, en la reducción de emisión de SO2 a la atmósfera proveniente de fuentes fijas

Resumen: Se propone utilizar un óxido como el Cr2O3 como catalizador ya que se ha determinado anteriormente, en la primera etapa de esta investigación, (“Estudio comparativo de la retención de SO2 sobre óxidos de metales de transición soportados en alúmina”), que la retención de SO2 sobre su superficie es un proceso de quimisorción con formación de especies sulfito superficiales sobre sitios básicos y un proceso de óxido reducción del ión metálico. Apoya este mecanismo el hecho de que la cantidad de SO2 adsorbido es función de la temperatura. La mayor eficiencia del Cr2O3 puede explicarse en base a sus propiedades superficiales, lo cual ha sido utilizado en la segunda etapa de reacción de reducción, ya que se ha completado la etapa inicial de quimisorción. En la segunda etapa de esta investigación (“Estudio de la reacción de reducción de SO2 con CH4 a altas temperaturas sobre catalizador de Cr2O3 soportado en alúmina”), se apuntó al estudio de un nuevo tipo de sinergia entre propiedades ácido-base y propiedades redox en una misma superficie. La tercera etapa apuntó a determinar la influencia que tiene el O2 en este proceso, ya que el O2 se encuentra presente en las chimeneas industriales en las condiciones de reacción entre el SO2 y el CH4, y produce modificaciones en los parámetros de reacción. Se experimentó con diferentes masas de catalizador y flujos de los distintos gases, y se estudió la influencia de la presencia de oxígeno en la reacción y particularmente con diferentes flujos del mismo, y la posibilidad de regeneración del catalizador.En esta cuarta y última etapa se están estudiando los cambios que se producen en la reacción al pasar de escala laboratorio a planta piloto utilizando una columna de mayor diámetro construída en metal. A través de los datos experimentales se está estudiando, en conjunto con el INIFTA, la presencia de especies sulfito y sulfato sobre la superficie del soporte. Adicionalmente, por medio del programa VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package), se analiza la interacción entre los reactivos gaseosos y el soporte.

Ab initio simulation of charged slabs at constant chemical potential

We present a practical scheme for performing ab initio supercell calculations of charged slabs at constant electron chemical potential mu, rather than at constant number of electrons N-e. To this end, we define the chemical potential relative to a plane (or "reference electrode") at a finite distance from the slab (the distance should reflect the particular geometry of the situation being modeled). To avoid a net charge in the supercell, and thus make possible a standard supercell calculation, we restore the electroneutrality of the periodically repeated unit by means of a compensating charge, whose contribution to the total energy and potential is subtracted afterwards. The "constant mu" mode enables one to perform supercell calculation on slabs, where the slab is kept at a fixed potential relative to the reference electrode. We expect this to be useful in modeling many experimental situations, especially in electro-chemistry. (C) 2001 American Institute of Physics.

Estudio a escala laboratorio y planta piloto, de la adsorción de NO y SO2, sobre CR2O3/AL2O3 a altas temperaturas, provenientes de fuentes fijas

Resumen: Se planificaron las experiencias con el objeto de analizar el comportamiento del catalizador en la columna metálica de mayor diámetro. Se modificaron las masas usadas para verificar la eficiencia de retención respecto de la masa. Se realizaron ciclos de adsorción, desorción y readsorción sobre una misma muestra para determinar variaciones en la eficiencia del catalizador. En otra fase, en colaboración con el Dr. V. A. Ranea y el Prof. E. E. Mola (INIFTA, UNLP), se desarrolló el estudio teórico de la adsorción de moléculas de SO2, CH4, CO2, O2 y CO sobre Cr2O3(0001) mediante Teoría del Funcional Densidad (programa VASP, Vienna Ab-initio Simulation Package), y el estudio de la cinética de la reacción entre CH4, SO2 y el O2 junto con la presencia de especies sulfito y sulfato. Este estudio permitió hallar los sitios preferenciales de adsorción de Sº y la posible competencia con SO2 experimentalmente y por cálculos teóricos. Dentro del marco de la presente línea de investigación, la Ing. Sabrina Hernández Guiance continúa realizando experiencias en el marco del proyecto conjunto con el INIFTA, las cuales forman parte del desarrollo de su tesis doctoral. Experimentalmente, se observa que la eficiencia de adsorción del catalizador respecto al SO2 es cercana al 100%. Se observa un pico de termodesorción a 1120 K. Luego, se estudió la oxidación de CH4 con SO2. Se observa que hay producción de CO2 desde temperatura inicial, seguida de un aumento significativo en la formación de CO2 hasta 330-340 K. Luego, la producción de CO2 se mantiene aproximadamente constante. Mediante el empleo de la ecuación de Arrhenius y resultados experimentales, se obtuvo la energía de activación de la reacción global, de 7 Kcal/mol. Mediante estudios teóricos, se determinó que la energía de quimisorción del SO2 sobre el Cr2O3 es de -3.09 eV para la configuración más estable, una energía de adsorción de O2 en estado disociativo de -1.567 eV, una energía para CH4 sobre O2 adsorbido previamente de -0.335 eV, y - 0.812 eV para la configuración más estable de CO2 sobre el sustrato.

Ab initio molecular dynamics simulation of a room temperature ionic liquid

Ab initio molecular dynamics simulations have been performed for the first time on the room-temperature organic ionic liquid dimethyl imidazolium chloride [DMIM][Cl] using density functional theory. The aim is to compare the local liquid structure with both that obtained from two different classical force fields and from neutron scattering experiments. The local structure around the cation shows significant differences compared to both the classical calculations and the neutron results. In particular, and unlike in the gas-phase ion pair, chloride ions tend to be located near a ring C-H proton in a position suggesting hydrogen bonding. The results are used to suggest ways in which the classical potentials may be improved.

Ab initio modeling and molecular dynamics simulation of the alpha 1b-adrenergic receptor activation.

This work describes the ab initio procedure employed to build an activation model for the alpha 1b-adrenergic receptor (alpha 1b-AR). The first version of the model was progressively modified and complicated by means of a many-step iterative procedure characterized by the employment of experimental validations of the model in each upgrading step. A combined simulated (molecular dynamics) and experimental mutagenesis approach was used to determine the structural and dynamic features characterizing the inactive and active states of alpha 1b-AR. The latest version of the model has been successfully challenged with respect to its ability to interpret and predict the functional properties of a large number of mutants. The iterative approach employed to describe alpha 1b-AR activation in terms of molecular structure and dynamics allows further complications of the model to allow prediction and interpretation of an ever-increasing number of experimental data.

Etudes ab initio des effets de la température sur le spectre optique des semi-conducteurs

Thèse réalisée en cotutelle avec l'Université Catholique de Louvain (Belgique)

C-BN Single-Walled Nanotubes from Hybrid Connection of BN/C Nanoribbons: Prediction by ab initio Density Functional Calculations

We demonstrated for the first time by ab initio density functional calculation and molecular dynamics simulation that C0.5(BN)0.5 armchair single-walled nanotubes (NT) are gapless semiconductors and can be spontaneously formed via the hybrid connection of graphene/BN Nanoribbons (GNR/BNNR) at room temperature. The direct synthesis of armchair C0.5(BN)0.5 via the hybrid connection of GNR/BNNR is predicted to be both thermodynamically and dynamically stable. Such novel armchair C0.5(BN)0.5 NTs possess enhanced conductance as that observed in GNRs. Additionally, the zigzag C0.5(BN)0.5 SWNTs are narrow band gap semiconductors, which may have potential application for light emission. In light of recent experimental progress and the enhanced degree of control in the synthesis of GNRs and BNNR, our results highlight an interesting avenue for synthesizing a novel specific type of C0.5(BN)0.5 nanotube (gapless or narrow direct gap semiconductor), with potentially important applications in BNC-based nanodevices.

Vacancy mediated desorption of hydrogen from a sodium alanate surface : An ab initio spin-polarized study

Ab initio spin-polarized density functional theory calculations are performed to explore the effect of single Na vacancy on NaAlH4(001) surface on the initial dehydrogenation kinetics. The authors found that two Al–H bond lengths become elongated and weakened due to the presence of a Na vacancy on the NaAlH4(001) surface. Spontaneous recombination from the surface to form molecular hydrogen is observed in the spin-polarized ab initio molecular dynamics simulation. The authors’ results indicate that surface Na vacancies play a critical role in accelerating the dehydrogenation kinetics in sodium alanate. The understanding gained here will aid in the rational design and development of complex hydride materials for hydrogen storage

Structural and electronic properties of diazonium functionalized (4, 4) single walled carbon nanotube : an ab initio study

In this work, ab initio density functional theory (DFT) calculations are performed to study the structural and electronic properties of diazonium reagent functionalized (4, 4) single-walled carbon nanotube (SWCNT). We find the aryl group covalently bonds with SWCNT and prefers to be perpendicular to the side wall of nanotube. It has a rotational barrier of 0.35 eV around the formed aryl-tube bond axis and should be thermodynamically stable at room temperature. Additionally, new peaks appeared around the Fermi energy in the density of state (DOS) due to the weak band dispersion. Increasing of the coverage of the functional group will result in significant upshift of the Fermi level.

Thermal decomposition of haloethanols: single pulse shock tube and ab initio studies

This paper reports single pulse shock tube and ab initio studies on thermal decomposition of 2-fluoro and 2-chloroethanol at T=1000–1200 K. Both molecules have HX (X = F/Cl) and H2O molecular elimination channels. The CH3CHO formed by HX elimination is chemically active and undergoes secondary decomposition resulting in the formation of CH4, C2H6, and C2H4. A detailed kinetic simulation indicates that the formation of C2H4 could not be quantitatively explained as arising exclusively from secondary CH3CHO decomposition. Contributions from primary radical processes need to be considered to explain C2H4 quantitatively. Ab initio calculations on HX and H2O elimination reactions from the haloethanols at HF, MP2, and DFT levels with various basis sets up to 6/311++G**are reported. It is pointed out that due to strong correlations between A and Eα, comparison of these two parameters between experimental and theoretical results could be misleading.

Thermal Decomposition of Propargyl Alcohol: Single Pulse Shock Tube Experimental and ab Initio Theoretical Study

Thermal decomposition of propargyl alcohol (C3H3OH), a molecule of interest in interstellar chemistry and combustion, was investigated using a single pulse shock tube in the temperature ranging from 953 to 1262 K. The products identified include acetylene, propyne, vinylacetylene, propynal, propenal, and benzene. The experimentally observed overall rate constant for thermal decomposition of propargyl alcohol was found to be k = 10((10.17 +/- 0.36)) exp(-39.70 +/- 1.83)/RT) s(-1) Ab initio theoretical calculations were carried out to understand the potential energy surfaces involved in the primary and secondary steps of propargyl alcohol thermal decomposition. Transition state theory was used to predict the rate constants, which were then used and refined in a kinetic simulation of the product profile. The first step in the decomposition is C-O bond dissociation, leading to the formation of two important radicals in combustion, OH and propargyl. This has been used to study the reverse OH propargyl radical reaction, about which there appears to be no prior work. Depending on the site of attack, this reaction leads to propargyl alcohol or propenal, one of the major products at temperatures below 1200 K. A detailed mechanism has been derived to explain all the observed products.