Estudo teórico das propriedades estruturais e eletrônicas de nitretos de carbono grafíticos intercalados com Na⁺ e Mg²⁺ em reações de fotocatálise de evolução de H₂

dc.contributor.advisor1Moura, André Farias de
dc.contributor.advisor1Latteshttp://lattes.cnpq.br/0746428641961163por
dc.contributor.advisor1orcidhttps://orcid.org/0000-0003-1974-4803por
dc.contributor.authorSilva, Caio Vinícius Caetano Ribeiro da
dc.contributor.authorlatteshttp://lattes.cnpq.br/4506399855359348por
dc.contributor.authororcidhttps://orcid.org/0000-0001-7331-5554por
dc.date.accessioned2024-10-21T13:07:04Z
dc.date.available2024-10-21T13:07:04Z
dc.date.issued2024-06-13
dc.description.abstractGraphitic carbon nitride (g-C₃N₄) is a semiconductor material with many nitrogen rings (pores) throughout its structure and constituted by several layers stacked on top of each other united by van der Waals forces. One of its potential applications is as a photocatalyst in hydrogen evolution reactions. Recently, g-C₃N₄ intercalated with alkali or alkaline earth metals in its structure, also known as poly(heptazine imide) alkali metal salts (M-PHI), showed superior photocatalytic activity than conventional g-C₃N₄. Given this experimental evidence, the materials Na-PHI and Mg-PHI were studied through classical molecular dynamics simulations and excited state calculations, in order to better understand the organization of cations throughout the structure of this material, their role in photocatalytic hydrogen evolution reactions, and the reason why Mg-PHI has higher photocatalytic activity than Na-PHI. In molecular dynamics simulation, it was found that the preferred position of the Na⁺ cation was always as close as possible to the vertice’s pores of this material, and as the number of layers increased, the amount of Na⁺ confined inside the pores also increased. Furthermore, it was observed throughout the molecular dynamics trajectory that there was always a smaller amount of cations inside the pores of Mg-PHI compared to Na-PHI, thus allowing more space for water molecules to accommodate themselves inside. This first difference between these two systems can be considered one of the reasons why the photocatalytic activity of Mg-PHI is greater than Na-PHI. Another factor that may also contribute to this is the presence of a larger hydration layer around the Mg²⁺, which leads to the hypothesis that the role of cations in these reactions is to stabilize the water molecules inside the pores. The excited state calculations corroborate to this hypothesis, since the analysis of the natural transition orbitals (NTO) around the experimental region of interest (420 nm) showed that in the transition with the highest oscillator strength (most probable), the NTO hole is much more localized in the PHI sheet, while the NTO particle is located both in the PHI sheets and in the water molecules around the Mg²⁺ cations inside the central pore, thus indicating that there is a probability of photoelectrons be transferred from the PHI sheets to the water molecules belonging the Mg²⁺ solvation sphere. A similar pattern was also found in the NTOs for the transition with the second highest oscillator strength in this region, although in this transition there was a higher probability of electron-hole recombination than the photoelectron transfer to the water molecule.eng
dc.description.resumoO nitreto de carbono grafítico (g-C₃N₄) é um material semicondutor repleto de anéis de nitrogenados (poros) ao longo de sua estrutura e constituído por várias camadas unidas por forças de van der Waals. Uma de suas potenciais aplicações é como fotocatalisador em reações de evolução de H₂. Recentemente, nitretos de carbono grafíticos intercalados com metais alcalinos ou alcalinos terrosos em sua estrutura, também conhecidos por sais de álcalis de poli(imida) de heptazina (M-PHI), apresentaram atividade fotocatalítica superior ao g-C₃N₄ convencional. Diante desta evidência experimental, foram estudados os materiais Na-PHI e Mg-PHI através de simulações de dinâmica molecular clássica e cálculos de estados excitados, a fim de entender melhor a organização dos cátions ao longo da estrutura deste material, o papel deles nas reações de fotocatálise de evolução de H₂, e o motivo do Mg-PHI possuir atividade fotocatalítica superior ao Na-PHI. Nas dinâmicas moleculares, verificou-se que a posição preferencial do cátion Na⁺ era sempre o mais próximo possível dos vértices dos anéis deste material, e à medida que o número de camadas aumentava, a quantidade de Na⁺ confinado dentro dos anéis também aumentava. Além disso, foi observado ao longo da trajetória de dinâmica molecular que havia sempre uma quantidade inferior de cátions dentro dos poros do Mg-PHI em comparação ao Na-PHI, permitindo assim que houvesse mais espaço para as moléculas de água se acomodarem dentro dos poros. Esta primeira diferença entre os dois sistemas pode ser considerada uma das razões para que atividade fotocatalítica do Mg-PHI seja maior que a do Na-PHI. Outro fator que também pode contribuir para isso, é a presença de uma camada de hidratação maior ao redor do Mg²⁺, o que leva à hipótese de que o papel dos cátions nestas reações seja o de estabilizar as moléculas de água dentro dos poros. Os cálculos de estados excitados corroboram com essa hipótese, uma vez que a análise dos orbitais naturais de transição (NTO) em torno da região experimental de interesse (420 nm) mostrou que na transição de maior força de oscilador (mais provável), o NTO buraco encontra-se muito mais localizado na folha de PHI, enquanto que o NTO carga encontra-se localizado tanto nas folhas de PHI quanto nas moléculas de água ao redor dos cátions Mg²⁺ no poro central, indicando assim que há uma probabilidade dos fotoelétrons saírem das folhas de PHI e irem para as moléculas de água da esfera de hidratação do Mg²⁺. Padrão similar também foi encontrado nos NTOs para a transição com a segunda maior força de oscilador nesta região, embora nesta houvesse maior probabilidade de recombinação dos pares elétron-buraco do que a transferência do fotoelétron para a molécula de água.por
dc.description.sponsorshipCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)por
dc.description.sponsorshipIdCAPES: Código de financiamento 001por
dc.identifier.citationSILVA, Caio Vinícius Caetano Ribeiro da. Estudo teórico das propriedades estruturais e eletrônicas de nitretos de carbono grafíticos intercalados com Na⁺ e Mg²⁺ em reações de fotocatálise de evolução de H₂. 2024. Tese (Doutorado em Química) – Universidade Federal de São Carlos, São Carlos, 2024. Disponível em: https://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20829.por
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufscar.br/handle/20.500.14289/20829
dc.language.isoporpor
dc.publisherUniversidade Federal de São Carlospor
dc.publisher.addressCampus São Carlospor
dc.publisher.initialsUFSCarpor
dc.publisher.programPrograma de Pós-Graduação em Química - PPGQpor
dc.rightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil*
dc.rights.urihttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/*
dc.subjectDinâmica molecularpor
dc.subjectNitreto de carbono grafíticopor
dc.subjectDistribuição radial de parespor
dc.subjectOrbitais naturais de transiçãopor
dc.subjectMolecular dynamicseng
dc.subjectRadial distribution functioneng
dc.subjectNatural transition orbitalseng
dc.subjectGraphitic carbon nitrideeng
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICApor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::CINETICA QUIMICA E CATALISEpor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::QUIMICA TEORICApor
dc.subject.cnpqCIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICApor
dc.titleEstudo teórico das propriedades estruturais e eletrônicas de nitretos de carbono grafíticos intercalados com Na⁺ e Mg²⁺ em reações de fotocatálise de evolução de H₂por
dc.title.alternativeTheoretical study of the structural and electronic properties of graphic carbon nitrides intercalated with Na⁺ and Mg²⁺ in photocatalytic hydrogen evolution reactionseng
dc.typeTesepor

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