Brasil

Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
NANOCIÊNCIAS E MATERIAIS AVANÇADOS (33144010006P9)
Exploring Computational Materials for Energy: From First Principles to Mesoscopic Methods
ALINE OLIMPIO PEREIRA
TESE
02/02/2015

Na presente tese aplicamos métodos computacionais a fim de propor e caracterizar materiais nanoestruturados para aplicações em energia. Mais especificamente em tecnologias de: (i) hidrogênio e células combustíveis, (ii) baterias recarregáveis e (iii) extração de óleo. Nosso foco principal é explorar relevantes propriedades físico-químicas em diferentes escalas espaciais e temporais através de m´métodos atomísticos e mesoscópicos. Cálculos de primeiro princípios baseados na Teoria do Funcional da Densidade foram aplicados de maneira satisfatória afim de propor materiais para aplicações em tecnologias de produção e armazenamento de hidrogênio, células combustíveis e baterias recarregáveis. Foi possível obter propriedades fundamentais que são essenciais para o futuro desenvolvimento desses setores de energia, como por exemplo, propriedades estruturais, eletrônicas, catalíticas e cinéticas. Propriedades estruturais, energéticas e eletrônicas de nanofilmes metálicos de Pd, Pt e Au foram determinadas para avaliar o uso de tais sistemas em tecnologias de hidrogênio e células combustíveis. Nossos resultados indicam que nanofilmes de Pd e Pt apresentam propriedades satisfatórias para catálise de hidrogênio, oxigênio e etanol. Observamos a existência de uma correlação linear entre as energias de adsorção e a localização do centro da banda d. A determinação de tais correlações representa uma contribuição importante para as tecnologias de hidrogênio e células combustíveis, uma vez que podem prever as propriedades catalíticas de nanofilmes. Avanços significativos também foram obtidos ao empregarmos cálculos de primeiros princípios no estudo de materiais para aplicações em baterias. Estudamos a adsorção de Li e Mg em nanotubos inorgânicos de TiS2, MoS2 e WS2. Nossos resultados indicam uma alta mobilidade iônica na superfície dos nanotubos de MoS2 e WS2. Portanto, excelente expectativas são esperadas para aplicação de tais sistemas como aditivos em eletrodos de baterias de alta performance. O uso de dinâmica molecular clássica possibilitou o entendimento de propriedades estruturais e de difusão de eletrólitos orgânicos. Esse conhecimento representa uma contribuição significativa para o desenvolvimento de baterias. Nossas simulações demonstraram que a mistura de carbonato de etil com carbonado de metil-etil apresentam boas propriedades para aplicações em eletrodos de baterias de lítio, uma vez que o alto grau de dissociação está associada a uma rápida difusão iônica. Propomos também um protocolo computacional em multiescala buscando avaliar a influencia de efeitos manométricos em fenômenos microscópicos. Este método combina simulações de dinâmica molecular e das redes de Boltzmann. Avaliamos a aplicabilidade de dispersões de nanopartículas de SiO2 em salmoura no processo de extração óleo em estruturas porosas cobertas com argila. Simulações de dinâmica molecular mostraram que a adição de nanopartículas funcionalizadas à salmoura é capaz de diminuir a tensão interfacial entre a salmoura e o óleo. Ao mesmo tempo, um aumento no ângulo de contato é observado. Essas informações são mapeadas em parâmetros computacionais da rede de Boltzmann, e o processo de extração de óleo é investigado em escala microscópica. Os resultados indicam que a diminuição da tensão interfacial associada ao aumento do ângulo de contato mel hora o processo de recuperação do óleo. Desta manei ra, dispersões de nanopartículas de SiO2 em salmoura se mostraram eficientes agentes para o processo de recuperação melhorada de óleo. À vista disso, nosso protocolo computacional em multiescala se mostrou uma ferramenta promissora no estudo dos efeitos de molhabilidade em nano e micro escalas. Embora seja claro que o desenvolvimento de materiais avançados continua sendo um fator chave para o desenvolvimento de tecnologias em energia, a presente tese representa uma contribuição significativa para a entendimento de fenômenos fundamentais relacionados à aplicações em produção e armazenamento de hidrogênio, células combustíveis, baterias e combustíveis fósseis.

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In this thesis, we explore computational materials science for energy technologies. More specifically, a multiscale computational methodology ranging from atomistic to mesoscopic methods was used to investigate the potential use of nanostructured materials for applications in: (i) hydrogen and fuel cells, (ii) rechargeable batteries, and (iii) oil recovery techniques. First principles simulations based on the Density Functional Theory were successfully employed to characterize and propose nanomaterials for hydrogen production and storage, fuel cells, and battery technologies. It was possible to understand fundamental properties that are essential to further development in these technologies, e. g. structural, electronic, catalytic and kinetic properties. The structural, energetic and electronic properties of layered metallic nanofilms of Pd, Pt and Au as catalysts for hydrogen and fuel cell applications were investigated. We have shown that Pd and Pt nanofilms are interesting systems, with improved catalytic activity for hydrogen, oxygen and ethanol. The evaluation of the electronic structure of such nanofilms shows the existence of a linear correlation between the d-band center and adsorption energies. The determination of such trends represents a significative contribution to the design of new and improved catalysts, since it is a valuable tool to predict the catalytic activity of nanofilms. Significant breakthroughs were also obtained when applying first principles calculations to battery technologies. The adsorption and di↵usion properties of Li and Mg were investigated in transition metal dichalcogenide inorganic nanotubes. A high ion mobility is observed at the surface of MoS2 and WS2 nanotubes, which support the potential application of the use of such systems as additive electrode materials for high-rate battery applications. By using classical molecular dynamics calculations, the structural and di↵usion properties of organic electrolytes could be determined and may help in the development of rechargeable batteries. Our simulations have demonstrated that mixture of ethylene carbonate and ethylmethyl carbonate present better di↵usion properties as electrolyte in lithium ion batteries, since it is possible to obtain a good degree of dissociation associated to a good ionic conductivity. xvi Abstract In order to extent the nanoscale e↵ects to the microscale, we also successfully propose a hierarchical computational protocol that combines molecular dynamics and mesoscopic lattice Boltzmann calculations. The e↵ects of dispersed functionalized SiO2 nanoparticles in brine to the oil recovery process in a covered clay pore structure is explored. Molecular dynamics simulations have shown that the addition of functionalized nanoparticles to the brine solution reduces the interfacial tension between oil and brine. Followed by an increase of the contact angle. By mapping these results into lattice Boltzmann parameters, the oil displacement process in hydrophilic pore models was investigated. Our simulations indicate that the observed changes in the interfacial tension and wettability by the inclusion of SiO2 nanoparticles indeed improve the oil recovery process in a microscale, and seems to be a good alternative as injection fluids for enhanced oil recovery techniques. Thus, our proposed hierarchical computational protocol that combines molecular dynamics and lattice Boltzmann method simulations can be a versatile tool to investigate the e↵ects of the interfacial tension and wetting properties on fluid behavior at both nano and micro scales. Although it is clear that the search and development of new advanced materials continues to be a key factor in energy technologies, the present thesis represent a significant contribution to understand the fundamental phenomena underlying hydrogen production and storage, fuel cells, batteries, and fossil fuel applications.
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PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC

Contexto

NANOCIÊNCIAS E MATERIAIS AVANÇADOS
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Banca Examinadora

CAETANO RODRIGUES MIRANDA
Sim
Nome Categoria
ROBERTO HIROKI MIWA Participante Externo
GUSTAVO MARTINI DALPIAN Docente
PAULO CESAR PHILIPPI Participante Externo
EVERALDO CARLOS VENANCIO Docente

Financiadores

Financiador - Programa Fomento Número de Meses
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC - Pró reitoria de Pós Graduação 1
CONS NAC DE DESENVOLVIMENTO CIENTIFICO E TECNOLOGICO - Bolsa de Doutorado no País GD 48

Vínculo

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Não