Modelagem computacional de etapas da oxidação da calcopirita e do efeito spillover em superfície de TiO2 dopada com Ru
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Data de Publicação: | 2023 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UFMG |
Texto Completo: | http://hdl.handle.net/1843/57686 https://orcid.org/0000-0003-4820-1250 |
Resumo: | A química computacional possibilita a investigação de sítios reativos, estudos estruturais e eletrônicos, bem como a obtenção de dados termodinâmicos e cinéticos em superfícies. Nesta tese, analisamos dois sistemas distintos, utilizando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT). O primeiro consistiu na oxidação da calcopirita (CuFeS2), principal forma em que o cobre é encontrado no mundo. A extração de cobre a partir desse mineral pode ser realizada por extração hidrometalúrgica, a qual engloba diversas etapas industriais. Nosso foco foi a etapa de lixiviação, a qual depende da presença de um agente lixiviante que promova a oxidação da calcopirita. Investigamos o íon Fe³+ hidratado e O2 como possíveis agentes lixiviantes. Nossos resultados indicam que ambas as espécies estudadas possuem propriedades oxidantes, sendo a molécula de O2 um oxidante mais forte. Além disso, os nossos cálculos indicam que a promoção da oxidação da calcopirita pelo íon Fe³+ ocorre por meio dos átomos de oxigênio das moléculas de água coordenadas ao íon hidratado, ao invés de ocorrer uma oxidação direta entre o íon Fe³+ e a superfície. Também foi constatado que a oxidação da calcopirita ocorre predominantemente por meio dos átomos de enxofre presentes na superfície. As etapas subsequentes, com a formação de H2O e OH•, e a transferência de hidrogênio entre essas espécies, com a concomitante oxidação do enxofre da superfície da calcopirita, foram também investigadas. Além disso, por meio de cálculos NEB, foi realizado um estudo cinético que demonstrou que a superfície (001)-S é a mais favorável para a ocorrência da oxidação, enquanto a superfície (112)-S apresenta uma barreira energética de aproximadamente 80 kcal mol-¹. No segundo sistema analisado, investigamos o mecanismo de adsorção de H2 em superfície de TiO2 dopado com Ru. Esse processo é termodinamicamente e cineticamente favorável. Inicia-se pela adsorção dissociativa de H2 no sítio de rutênio e, em seguida, o hidrogênio migra para um sítio de oxigênio do TiO2 e, promove a redução de átomos de titânio diretamente ligados ao átomo de rutênio, por meio de um processo conhecido como efeito spillover. Esta tese demonstra a importância de se estabelecer um modelo químico adequado para permitir que reações complexas possam ser adequadamente investigadas por meio de cálculos computacionais. |
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Guilherme Ferreira de Limahttp://lattes.cnpq.br/3031463692986785Hélio Anderson DuarteJosefredo Rodriguez Pliego JuniorJuliana Fedoce LopesLeonardo Humberto Rezende dos SantosMaria Helena de Araujohttps://lattes.cnpq.br/4357095994348132Selma Fabiana Bazan2023-08-10T14:32:35Z2023-08-10T14:32:35Z2023-06-23http://hdl.handle.net/1843/57686https://orcid.org/0000-0003-4820-1250A química computacional possibilita a investigação de sítios reativos, estudos estruturais e eletrônicos, bem como a obtenção de dados termodinâmicos e cinéticos em superfícies. Nesta tese, analisamos dois sistemas distintos, utilizando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT). O primeiro consistiu na oxidação da calcopirita (CuFeS2), principal forma em que o cobre é encontrado no mundo. A extração de cobre a partir desse mineral pode ser realizada por extração hidrometalúrgica, a qual engloba diversas etapas industriais. 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Além disso, por meio de cálculos NEB, foi realizado um estudo cinético que demonstrou que a superfície (001)-S é a mais favorável para a ocorrência da oxidação, enquanto a superfície (112)-S apresenta uma barreira energética de aproximadamente 80 kcal mol-¹. No segundo sistema analisado, investigamos o mecanismo de adsorção de H2 em superfície de TiO2 dopado com Ru. Esse processo é termodinamicamente e cineticamente favorável. Inicia-se pela adsorção dissociativa de H2 no sítio de rutênio e, em seguida, o hidrogênio migra para um sítio de oxigênio do TiO2 e, promove a redução de átomos de titânio diretamente ligados ao átomo de rutênio, por meio de um processo conhecido como efeito spillover. Esta tese demonstra a importância de se estabelecer um modelo químico adequado para permitir que reações complexas possam ser adequadamente investigadas por meio de cálculos computacionais.Computational chemistry enables the investigation of reactive sites, structural and electronic studies, as well as the determination of thermodynamic and kinetic data on surfaces. In this thesis, we analyzed two distinct systems using Density Functional Theory (DFT). The first system involved the oxidation of chalcopyrite (CuFeS2), the primary form in which copper is found worldwide. Copper extraction from this mineral can be achieved through hydrometallurgical extraction, which encompasses various industrial stages. Our focus was on the leaching stage, which depends on the presence of a leaching agent that promotes the oxidation of chalcopyrite. We investigated the hydrated Fe³+ ion and O2 as possible leaching agents. Our results indicate that both species studied have oxidizing properties, with O2 being a stronger oxidant. Furthermore, our calculations indicate that the promotion of chalcopyrite oxidation by the Fe³+ ion occurs through the oxygen atoms of water molecules coordinated to the hydrated ion, rather than direct oxidation between the Fe³+ ion and the surface. It was also found that chalcopyrite oxidation predominantly occurs through the sulfur atoms present on the surface. The subsequent steps involving the formation of H2O and OH•, as well as hydrogen transfer between these species, accompanied by the simultaneous oxidation of sulfur on the chalcopyrite surface, were also investigated. Additionally, through NEB calculations, a kinetic study was performed, which demonstrated that the (001)-S surface is the most favorable for oxidation to occur, while the (112)-S surface presents an energy barrier of approximately 80 kcal mol-¹. In the second system analyzed, we investigated the adsorption mechanism of H2 on the surface of Ru-doped TiO2. This process is thermodynamically and kinetically favorable. It begins with the dissociative adsorption of H2 on the ruthenium site, and then hydrogen migrates to an oxygen site on TiO2, promoting the reduction of titanium atoms directly bonded to the ruthenium atom through, a process known as the spillover effect. This thesis demonstrates the importance of establishing an appropriate chemical model to enable the proper investigation of complex reactions through computational calculations.CNPq - Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e TecnológicoporUniversidade Federal de Minas GeraisPrograma de Pós-Graduação em QuímicaUFMGBrasilICX - DEPARTAMENTO DE QUÍMICAFísico-químicaModelagem computacionalFuncionais de densidadeOxidaçãoAdsorçãoLixiviaçãoCalcopiritaDióxido de titânioDFTOxidação da calcopiritaSpilloverModelagem computacional de etapas da oxidação da calcopirita e do efeito spillover em superfície de TiO2 dopada com RuComputational modeling of the stages of chalcopyrite oxidation and the spillover effect on a TiO2 surface doped with Ruinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesisinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFMGinstname:Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)instacron:UFMGLICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-82118https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/57686/2/license.txtcda590c95a0b51b4d15f60c9642ca272MD52ORIGINALSelma_Fabiana_Bazan_Tese.pdfSelma_Fabiana_Bazan_Tese.pdfTese de Doutorado em Química - Selma Fabiana Bazanapplication/pdf6538227https://repositorio.ufmg.br/bitstream/1843/57686/1/Selma_Fabiana_Bazan_Tese.pdf2404e3ecbf95c97f405a5046c9e74d71MD511843/576862023-08-10 11:32:35.708oai:repositorio.ufmg.br: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ório de PublicaçõesPUBhttps://repositorio.ufmg.br/oaiopendoar:2023-08-10T14:32:35Repositório Institucional da UFMG - Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG)false |
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