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Título: Estudo teórico - computacional da adsorção de etanol, água e do dímero etanol - água em nanocapilares de grafeno de extremidade aberta
Título(s) alternativo(s): Theoretical-computational study of the ethanol, water, and the ethanol-water dimer adsorption on open-ended graphene
Autor(es): Basso, Leticia Finger
Orientador(es): Rigo, Vagner Alexandre
Palavras-chave: Álcool
Água
Engenharia mecânica
Alcohol
Water
Mechanical engineering
Data do documento: 26-Set-2023
Editor: Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus: Cornelio Procopio
Citação: BASSO, Leticia Finger. Estudo teórico-computacional da adsorção de etanol, água e do dímero etanol-água em monocapilares de grafeno de extremidade aberta. 2023. Dissertação (Mestrado em Engenharia Mecânica) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Cornélio Procópio, 2023.
Resumo: O grafeno tem recebido muita atenção devido às suas propriedades com aplicabilidade em diversas áreas. Dentre elas, nanocapilares de grafeno (CG) têm sido estudados para emprego como filtros moleculares na separação da mistura água-etanol. Tais nanofiltros possuem grande potencial socioeconômico e ambiental principalmente por terem a possibilidade de contribuir ou mesmo substituir a destilação fracionada, que é utilizada em larga escala na separação do etanol da água durante a produção do biocombustível etanol, requerendo elevado gasto energético. Desta forma, utilizar um nanofiltro na separação da mistura poderia reduzir grandemente esse custo e a emissão de gases, tal como o gás carbônico, tornando-se uma alternativa mais sustentável. Neste trabalho, avaliou-se a adsorção de etanol, água e dímeros etanol-água em capilares de grafeno de borda aberta por meio de cálculos de primeiros princípios, empregando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT, do inglês, Density Functional Theory), objetivando fornecer um entendimento detalhado da interação moléculas-substrato. Ainda, para melhor compreensão do comportamento geral das forças que atuam nos sistemas, como as forças de van der Waals, foram realizados cálculos analíticos, empregando o potencial de Lennard-Jones, para um átomo de carbono, oxigênio, hidrogênio e também para a molécula de monóxido de carbono (CO) em diferentes arranjos interagindo com o CG. Os resultados obtidos com a DFT mostraram que a estabilidade da molécula de etanol adsorvida no CG depende de sua orientação dentro da estrutura, de sua posição ao longo da seção transversal e da distância entre camadas do CG (d). Observou-se que a molécula de etanol é mais estável quando se encontra verticalmente alinhada na borda do CG para 8 Å ≲ d ≲ 10 Å. Por outro lado, a molécula de etanol no centro do CG, orientada horizontalmente em relação à superfície, representa a configuração de maior estabilidade quando d ≲ 8 Å e d ≳ 10 Å. Verificou-se que a molécula de água é mais estável na borda do CG, independente da sua orientação em relação ao substrato e da distância d. O etanol é mais estável que a água em CGs com d ≳ 6 Å e a água é mais estável em valores de d menores. O dímero etanol-água encontra sua posição de maior estabilidade quando adsorvido na borda do CG, com a água sendo a doadora e o etanol o receptor na ligação de ponte de hidrogênio. A ligação água-CG é enfraquecida no dímero, em comparação com a molécula adsorvida. Ainda, a interação etanol-CG não é significativamente afetada após a formação do dímero, sendo levemente intensificada. Foi constatado que após a adsorção no CG o etanol e a água recebem elétrons na ligação química formada, mas, no caso do dímero etanol-água, obteve-se que o etanol doa, enquanto a água recebe elétrons em comparação à molécula na fase gasosa. Ainda, a intensidade da ligação química entre as moléculas adsorvidas e o CG não é significativamente alterada em função da sua largura. Os resultados analíticos mostraram a existência de uma força de sucção que atua no sentido de puxar os átomos e a molécula de CO para dentro do CG, existindo regiões de estabilidade internas ao CG, sendo que elas dependem do tipo atômico e da orientação molecular. A região central entre as camadas do CG é uma região de equilíbrio estável para os átomos e molécula de CO até que d alcance um valor crítico, a partir do qual, passa a existir duas regiões de equilíbrio estável equidistantes do centro das camadas. Finalmente, os resultados agregaram detalhes relevantes sobre a acumulação de moléculas de água e etanol nas bordas dos CGs e das forças de sucção em átomos, fornecendo informações que poderão ser empregadas em futuros estudos e no desenvolvimento de nanofiltros para misturas etanol-água baseados em sistemas grafíticos.
Abstract: Graphene has received much attention due to its properties and applicability in various areas. Among them, graphene nanocapillaries (GC) have been studied for molecular filters in separating water-ethanol mixtures. These nanofilters have great socio-economic and environmental potential, mainly because they can contribute to or even replace fractional distillation, which is used on a large scale to separate ethanol from water during the production of ethanol biofuel, requiring high energy expenditure. Thus, using a nanofilter to separate the mixture could significantly reduce this cost and the emission of gases such as carbon dioxide, making it a more sustainable alternative. In this work, the adsorption of ethanol, water, and ethanol-water dimers on open-edge graphene capillaries was evaluated employing first-principles calculations using Density Functional Theory (DFT), with the aim of providing a detailed understanding of the molecule-substrate interaction. Further, in order to better understand the general behavior of the forces acting on the systems, such as van der Waals forces, analytical calculations were carried out using the Lennard-Jones potential for a carbon atom, oxygen, hydrogen, and the carbon monoxide (CO) molecule in different arrangements interacting with the GC. The results obtained using DFT showed that the stability of the ethanol molecule adsorbed on the GC depends on its orientation within the structure, its position along the cross-section, and the distance between layers of the GC (d). The ethanol molecule was observed to be more stable when vertically aligned on the edge of the CG for 8 Å ≲ d ≲ 10 Å. On the other hand, the ethanol molecule in the center of the GC, oriented horizontally concerning the surface, represents the most stable configuration when d ≲ 8 Å and d ≳ 10 Å. The water molecule was found to be more stable at the edge of the GC, regardless of its orientation in relation to the substrate and the distance d. Ethanol is more stable than water in GCs with d ≳ 6 Å, and water is more stable at lower d values. The ethanol-water dimer finds its most stable position when adsorbed on the edge of the CG, with water being the donor and ethanol the acceptor in the hydrogen bridge bond. The water-CG bond is weakened in the dimer compared to the adsorbed molecule. In addition, the ethanol-CG interaction is not significantly affected after the formation of the dimer but is slightly intensified. It was found that after adsorption on the GC, ethanol, and water receive electrons in the chemical bond formed, but in the case of the ethanol-water dimer, ethanol donates. In contrast, water receives electrons compared to the molecule in the gas phase. Furthermore, the intensity of the chemical bond between the adsorbed molecules and the GC is not significantly altered depending on its width. The analytical results showed that there is a suction force that pulls the atoms and the CO molecule into the GC and that there are regions of stability within the GC, which depend on the atomic type and molecular orientation. The central region between the layers of the GC is a region of stable equilibrium for the CO atoms and molecule until d reaches a critical value, after which there are two regions of stable equilibrium equidistant from the center of the layers. Finally, the results provide relevant details on the accumulation of water and ethanol molecules at the edges of the GCs and the suction forces on atoms, providing information that can be useful for future studies and the development of nanofilters for ethanol-water mixtures based on graphitic systems.
URI: http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/32650
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