Dados do Trabalhos de Conclusão

UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
CIÊNCIA E TECNOLOGIA (33144010003P0)
DESCRIÇÃO MOLECULAR DO ÓXIDO DE GRAFENO E SUAS APLICAÇÕES
ANTENOR JOSE PAULISTA NETO
TESE
18/10/2018

As propriedades de solvatação do óxido de grafeno (GO) são essenciais para a maioria de suas possíveis aplicações. Os materiais baseados em GO tem sido considerados para aplicações potenciais de armazenamento de energia, em especial como eletrodo em supercapacitores. Neste trabalho, empregamos simulações atomísticas de dinâmica molecular (MD) para investigar as propriedades de solvatação dos GO's com diferentes níveis de oxidação e, pela primeira vez, apresentamos uma análise detalhada das propriedades de supercapacitores à base de GO em função da composição e da densidade de carga nos eletrodos. As razões de concentração de oxigênio R cobrem todas as composições observadas experimentalmente. Dois modelos de carga atômica para o GO são comparados. Descobriu-se que as propriedades estruturais não dependem do modelo de carga, enquanto a termodinâmica pareceu muito sensível. Cálculos de energia livre e de potencial de força média (PMF), indicam que todos os sistemas com maiores concentrações de oxigênio têm menor energia livre na água do que em tolueno. Além disso, os valores de energia livre de solvatação são fortemente negativos e de magnitude crescente com a concentração de oxigênio, mesmo na fase de tolueno. Esses cálculos também indicam que a hidrofilicidade resultante observada para o GO, é de origem eletrostática e teve maior contribuição dos grupos adsorvidos nas bordas. O PMF indica uma tendência à agregação espontânea na água para todas as concentrações, sendo menor quanto maior a concentração de oxigênio. O caráter anfifílico do GO foi analisado em termos de suas atividades interfaciais. Nossos resultados indicam que o GO apresenta uma solvatação favorável tanto em líquidos puros como em interfaces e que apenas o GO reduzido é ligeiramente ativo na interface água/vácuo. A comparação entre os GO's reduzidos mostra que os sistemas funcionalizados por borda são mais ativos que os sistemas funcionalizados basais, indicando que a concentração de oxigênio desempenha um papel mais relevante do que a distribuição dos grupos funcionais. A dupla camada elétrica (EDL) de supercapacitores a base de GO e líquido iônico (IL), é descrita em termos da estrutura e energética da interação eletrodo-eletrólito. A capacitância integral (��!) e diferencial (��!) para cada supercapacitor foi determinada levando em conta o efeito do grau de oxidação dos eletrodos. Um resultado importante é a transição gradual da forma de sino para a forma de camelo nas curvas ��! à medida que o grau de oxidação do eletrodo aumenta. O valor de ��! para todos os supercapacitores está dentro da faixa de 1,5 a 5,4 μF cm-2 na janela de ± 3V de potencial nos eletrodo e apresenta o maior valor para o GO reduzido, que também apresentou a maior ��! média.

atividade interfacial;dinâmica molecular;dupla camada elétrica;energia livre;grupos funcionais de borda;hidratação;material anfifílico;óxido de grafeno;potencial de força média;solvatação;supercapacitor;termodinâmica.
The solvation properties of graphene oxide (GO) are essential for most of its possible applications. GO-based materials have been considered for energy storage devices, especially as electrodes in supercapacitors. In this work, we use atomistic molecular dynamics (MD) simulations to investigate the solvation properties of GO's with different levels of oxidation and, for the first time, we present a detailed analysis of the properties of supercapacitors based on GO as a function of both composition and charge density on the electrodes. The ratios of oxygen concentration R cover all compositions observed experimentally. Two models of atomic charge for GO are compared. It was found that the structural properties did not depend on the charge model, whereas the thermodynamics seemed very sensitive. Free energy and potential of mean force (PMF) calculations indicate that all systems with higher oxygen concentrations have lower free energy in water than in toluene. In addition, the solvation free energy values are strongly negative and of increasing magnitude with the oxygen concentration, even in the toluene phase. These calculations also indicate that the resulting hydrophilicity observed for GO, is of electrostatic origin and had greater contribution of the groups adsorbed on the edges. The PMF indicates a tendency to spontaneous aggregation in water for all concentrations. The amphiphilic character of GO was analyzed in terms of its interfacial activities. Our results indicate that GO has a favorable solvation in both pure liquids and interfaces and that only the reduced GO is slightly active at the water/vacuum interface. The comparison between the reduced GO's shows that edge functionalised systems are more active than basal functionalized systems, indicating that oxygen concentration plays a more relevant role than the distribution of functional groups. The electrical double layer (EDL) of supercapacitors based on GO and ionic liquid (IL) is described in terms of the structure and energy of the electrode-electrolyte interaction. The integral (��!) and differential (��!) capacitance for each supercapacitor was determined taking into account the effect of the degree of oxidation of the electrodes. An important result is the gradual transition from the bell to camel-shaped into the ��! curves as the degree of oxidation of the electrode increases. The value of ��! for all supercapacitors is within the range of 1.5 to 5.4 μF cm-2 in the ± 3V potential window on the electrodes and presents the highest value for the reduced GO, which also showed the highest mean of ��!.
amphiphilic material;electrical double layer;free energy;functional edge groups;graphene oxide;hydration;interfacial activity;molecular dynamics;potential of mean force;solvation;supercapacitor;thermodynamics.
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PORTUGUES
UNIVERSIDADE FEDERAL DO ABC
O trabalho possui divulgação autorizada

Contexto

QUÍMICA
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Banca Examinadora

EUDES ETERNO FILETI
DOCENTE - COLABORADOR
Sim
Nome Categoria
LUIS GUSTAVO DIAS Participante Externo
PAULA HOMEM DE MELLO Docente - PERMANENTE
JEVERSON TEODORO ARANTES JUNIOR Participante Externo
MAURICIO DOMINGUES COUTINHO NETO Docente - PERMANENTE

Financiadores

Financiador - Programa Fomento Número de Meses
FUND COORD DE APERFEICOAMENTO DE PESSOAL DE NIVEL SUP - Programa de Demanda Social 37

Vínculo

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Não