Publicação
Estudo dos mecanismos de oxidação de nanopartículas bimetálicas Zn:Fe
| Resumo: | A aplicação do Zinco em nanotecnologia tem sido amplamente estudada por ser um precursor de vários semicondutores importantes, como é o caso do ZnO. As nanopartículas de Zn encontram potencial aplicação na indústria alimentar, usando o processo de oxidação, ativado pela humidade relativa do ambiente, como mecanismo de captação de oxigénio. Uma estratégia ajustar o comportamento da oxidação de nanopartículas de Zn, passa pela criação de nanopartículas bimetálicas Zn:Fe, permitindo explorar vários tipos de arranjos estruturais, que permitam obter propriedades oxidativas distintas das nanopartículas de Zn. Nesta tese são utilizados modelos atomísticos para estudar os fatores que influenciam a oxidação nanopartículas bimetálicas Zn:Fe. Numa primeira fase, abordou-se a adsorção de moléculas de oxigénio e água numa heteroestrutura de Zn/ZnO através de cálculos baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Num segundo passo, incorporou-se Fe na heteroestrutura Zn/ZnO e avaliou-se impacto na adsorção de O2 e H2O. Estudou-se a dissolução do ZnO por efeito galvânico, recorrendo a cálculos de dinâmica molécula reativa (reax-ff). Finalmente, foi utilizada a aproximação de “Tight–Binding” baseada na teoria do Funcional da densidade (DFTB) para o estudo da heteroestrutura Zn/ZnO, devido ao seu potencial para efetuar cálculos em sistemas maiores do que seria possível com a DFT. Identificaram-se algumas limitações nos parâmetros existentes para a descrição do ZnO, e efetuou-se a reparametrização do potencial de repulsão para a interação Zn-Zn para obter uma descrição mais correta da estrutura do Zn hcp. Os resultados obtidos sugerem que o mecanismo de adsorção do oxigénio pode ser promovido por dois processos diferentes: a dopagem eletrónica do ZnO induzida pela formação da interface Zn/ZnO, ou devido ao excesso de eletrões na superfície do óxido devido à menor coordenação dos átomos de Zn à superfície. A adsorção de oxigénio afeta o potencial eletrostático no interior da camada de ZnO podendo ter impacto na barreira de migração de iões no seu interior. A adsorção de água tende a formar monocamadas que fazem a cobertura total da superfície do óxido. Contrariamente ao que acontece com o oxigénio, a adsorção de água não tem impacto no potencial eletrostático interno do óxido. A incorporação do Fe na heteroestrutura promove a adsorção de oxigénio e penaliza a adsorção de água, sendo este efeito dependente da posição do Fe no interior da camada de óxido. |
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| Autores principais: | Castro, António José Felgueiras |
| Assunto: | Nanopartículas bimetálicas Oxidação Métodos ab initio DFT DFTB Bimetallic nanoparticles Oxidation Ab initio methods Engenharia e Tecnologia::Engenharia dos Materiais |
| Ano: | 2026 |
| País: | Portugal |
| Tipo de documento: | tese de doutoramento |
| Tipo de acesso: | acesso aberto |
| Instituição associada: | Universidade do Minho |
| Idioma: | português |
| Origem: | RepositóriUM - Universidade do Minho |
| Resumo: | A aplicação do Zinco em nanotecnologia tem sido amplamente estudada por ser um precursor de vários semicondutores importantes, como é o caso do ZnO. As nanopartículas de Zn encontram potencial aplicação na indústria alimentar, usando o processo de oxidação, ativado pela humidade relativa do ambiente, como mecanismo de captação de oxigénio. Uma estratégia ajustar o comportamento da oxidação de nanopartículas de Zn, passa pela criação de nanopartículas bimetálicas Zn:Fe, permitindo explorar vários tipos de arranjos estruturais, que permitam obter propriedades oxidativas distintas das nanopartículas de Zn. Nesta tese são utilizados modelos atomísticos para estudar os fatores que influenciam a oxidação nanopartículas bimetálicas Zn:Fe. Numa primeira fase, abordou-se a adsorção de moléculas de oxigénio e água numa heteroestrutura de Zn/ZnO através de cálculos baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Num segundo passo, incorporou-se Fe na heteroestrutura Zn/ZnO e avaliou-se impacto na adsorção de O2 e H2O. Estudou-se a dissolução do ZnO por efeito galvânico, recorrendo a cálculos de dinâmica molécula reativa (reax-ff). Finalmente, foi utilizada a aproximação de “Tight–Binding” baseada na teoria do Funcional da densidade (DFTB) para o estudo da heteroestrutura Zn/ZnO, devido ao seu potencial para efetuar cálculos em sistemas maiores do que seria possível com a DFT. Identificaram-se algumas limitações nos parâmetros existentes para a descrição do ZnO, e efetuou-se a reparametrização do potencial de repulsão para a interação Zn-Zn para obter uma descrição mais correta da estrutura do Zn hcp. Os resultados obtidos sugerem que o mecanismo de adsorção do oxigénio pode ser promovido por dois processos diferentes: a dopagem eletrónica do ZnO induzida pela formação da interface Zn/ZnO, ou devido ao excesso de eletrões na superfície do óxido devido à menor coordenação dos átomos de Zn à superfície. A adsorção de oxigénio afeta o potencial eletrostático no interior da camada de ZnO podendo ter impacto na barreira de migração de iões no seu interior. A adsorção de água tende a formar monocamadas que fazem a cobertura total da superfície do óxido. Contrariamente ao que acontece com o oxigénio, a adsorção de água não tem impacto no potencial eletrostático interno do óxido. A incorporação do Fe na heteroestrutura promove a adsorção de oxigénio e penaliza a adsorção de água, sendo este efeito dependente da posição do Fe no interior da camada de óxido. |
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