Propriedades eletrônicas, estruturais e espectroscópicas do Bulk e superfícies do BaSnO3 modelados computacionalmente por teoria de funcional de densidade.
Autor(a) principal: | |
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Data de Publicação: | 2020 |
Tipo de documento: | Tese |
Idioma: | por |
Título da fonte: | Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB |
Texto Completo: | https://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/18371 |
Resumo: | Tin-based Perovskites are promising materials due to their physical and chemical properties that are governed by the electronic and structural characteristics of the bulk and their respective surfaces. Such properties allow BaSnO3 (BSO) to be applied as gas sensor, photocatalyst, transparent optical conductor, among other applications. Experimental studies have revealed that the cubic structure of BSO correspond to the thermodynamic ground state. However, tin-based perovskites may adopt polymorphic structures such as tetragonal, rhombohedral and orthorhombic. In this sense, the main aim of this work is the theoretical study of the main properties of BSO in the cubic phase applying the Density Functional Theory, taking into account the influence of the applied methodology in the property’s description. Besides the cubic structure, the polymorphic phases of BSO were evaluated under high pressure (0 to 30 Gpa), aiming to investigate the possibility to obtain other BSO phases. The Murnaghan, Birch-Murnaghan, Poirier-Tarantola and Vinet equations of state (EOS) were used to determine the energy-volume and pressure-volume relationships for the different structures at T = 0 K. Murnaghan's EOS indicated that the transitions of cubic phase → tetragonal → rhombohedral → orthorhombic occur at 8.98, 16.40 and 16.90 GPa, respectively, indicating the possibility of obtaining other phases for BSO. In the second step, the stoichiometric and nonstoichiometric surfaces (0 0 1), (0 1 1) and (1 1 1) of BSO were studied as regard the surface energy and stability. The most stable non-stoichiometric surface is the SnO-terminated (0 0 1), while stoichiometric (0 0 1) and (0 1 1) surfaces may exist simultaneously. This condition had a direct implication in the crystal morphology that was analyzed by the Wullf Construction and allowed the construction of a morphological map for this material. Finally, the stoichiometric surface (0 0 1) with the BaO termination was selected for applications as a water catalyst, taking into account the interaction and possible dissociation of the water molecule on such a surface. From the study of the orientation and site of water adsorption, it was found that water interacts with the surface of BSO through hydrogen. However, topological analysis has shown that the chemical bond has been broken between the surface-interacting hydrogen and the oxygen in the water. These two atoms interact from a hydrogen interaction, but the chemical bond is broken. On the other hand, the adsorbed hydrogen and the superficial oxygen of BSO form a chemical bond and, from the analysis of the band structure and density of states, the interaction and water splitting were confirmed. These results corroborate the proposed ionization of the water molecule on the BSO surface, which represents a hydroxylation process and, from an experimental point of view, becomes an even more relevant aspect concerning dye treatment and discoloration processes. |
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Propriedades eletrônicas, estruturais e espectroscópicas do Bulk e superfícies do BaSnO3 modelados computacionalmente por teoria de funcional de densidade.BaSnO3Teoria do Funcional de Densidade - DFTSuperfíciesMorfologiaAdsorçãoÁguaDensity Funtional Theory - DFTSurfacesMorphologyDissociationWaterCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICATin-based Perovskites are promising materials due to their physical and chemical properties that are governed by the electronic and structural characteristics of the bulk and their respective surfaces. Such properties allow BaSnO3 (BSO) to be applied as gas sensor, photocatalyst, transparent optical conductor, among other applications. Experimental studies have revealed that the cubic structure of BSO correspond to the thermodynamic ground state. However, tin-based perovskites may adopt polymorphic structures such as tetragonal, rhombohedral and orthorhombic. In this sense, the main aim of this work is the theoretical study of the main properties of BSO in the cubic phase applying the Density Functional Theory, taking into account the influence of the applied methodology in the property’s description. Besides the cubic structure, the polymorphic phases of BSO were evaluated under high pressure (0 to 30 Gpa), aiming to investigate the possibility to obtain other BSO phases. The Murnaghan, Birch-Murnaghan, Poirier-Tarantola and Vinet equations of state (EOS) were used to determine the energy-volume and pressure-volume relationships for the different structures at T = 0 K. Murnaghan's EOS indicated that the transitions of cubic phase → tetragonal → rhombohedral → orthorhombic occur at 8.98, 16.40 and 16.90 GPa, respectively, indicating the possibility of obtaining other phases for BSO. In the second step, the stoichiometric and nonstoichiometric surfaces (0 0 1), (0 1 1) and (1 1 1) of BSO were studied as regard the surface energy and stability. The most stable non-stoichiometric surface is the SnO-terminated (0 0 1), while stoichiometric (0 0 1) and (0 1 1) surfaces may exist simultaneously. This condition had a direct implication in the crystal morphology that was analyzed by the Wullf Construction and allowed the construction of a morphological map for this material. Finally, the stoichiometric surface (0 0 1) with the BaO termination was selected for applications as a water catalyst, taking into account the interaction and possible dissociation of the water molecule on such a surface. From the study of the orientation and site of water adsorption, it was found that water interacts with the surface of BSO through hydrogen. However, topological analysis has shown that the chemical bond has been broken between the surface-interacting hydrogen and the oxygen in the water. These two atoms interact from a hydrogen interaction, but the chemical bond is broken. On the other hand, the adsorbed hydrogen and the superficial oxygen of BSO form a chemical bond and, from the analysis of the band structure and density of states, the interaction and water splitting were confirmed. These results corroborate the proposed ionization of the water molecule on the BSO surface, which represents a hydroxylation process and, from an experimental point of view, becomes an even more relevant aspect concerning dye treatment and discoloration processes.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPESCoordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Direção Geral de Política Universitária (CAPES/DGPU)As Perovskitas baseadas em estanho são materiais promissores devido as suas propriedades físicas e químicas que são governadas por características eletrônicas e estruturais do bulk e de suas respectivas superfícies. Tais propriedades permitem que o BaSnO3 (BSO) possa ser aplicado como sensor de gás, fotocatalisador, condutor ótico transparente, entre outras aplicações. Estudos experimentais têm revelado que a estrutura cúbica do BSO é a mais estável termodinamicamente. No entanto, estanatos desta classe de materiais podem adotar estruturas polimorfas, tais como tetragonal, romboédrica e ortorrômbica. Nesse sentido, o objetivo deste trabalho foi modelar e simular computacionalmente as principais propriedades do BSO na fase cúbica aplicando a Teoria do Funcional de Densidade tendo em consideração a influência da metodologia aplicada na descrição das propriedades. Além da estrutura cúbica, as fases polimórficas do BSO foram avaliadas sobre alta pressão (0 a 30 GPa), com objetivo de investigar a possibilidade de obtenção de outras fases do BSO. As equações de Estado (EOS) Murnaghan, Birch-Murnaghan, Poirier-Tarantola e Vinet foram usadas para determinar as relações energia-volume e pressão-volume para as diferentes estruturas a T = 0 K. A EOS de Murnaghan indicou que as transições de fase cúbica → tetragonal → romboédrica → ortorrômbica ocorrem a 8,98, 16,40 e 16,90 GPa, respectivamente, indicando a possibilidade de obtenção de outras fases para o BSO. Na segunda etapa, as superfícies estequiométricas e não estequiométricas (0 0 1), (0 1 1) e (1 1 1) do BSO foram estudadas quanto a energia de superfície e estabilidade. A superfície não estequiométrica mais estável é a (0 0 1) com terminação SnO, enquanto as superfícies estequiométricas (0 0 1) e (0 11) podem existir simultaneamente. Esta condição teve implicação direta na morfologia do cristal que foi analisado pela Construção de Wullf e possibilitou a construção de um mapa morfológico desta estrutura. Finalmente, a superfície estequiométrica (001) com a terminação BaO foi selecionada para aplicações como catalisador da água, levando em consideração a interação e possível dissociação da molécula de água sobre tal superfície. A partir do estudo da orientação e sítio da adsorção da água, verificou-se que a água interage com a superfície do BSO através do hidrogênio. No entanto, as análises topológicas mostraram que a ligação química foi quebrada entre o hidrogênio que interage com a superfície e o oxigênio da água. Esses dois átomos têm interação, uma ligação de hidrogênio, mas a ligação química está quebrada. Por outro lado, o hidrogênio adsorvido e o oxigênio superficial do BSO formam uma ligação química e, a partir da análise da estrutura de bandas e densidade dos estados, confirma-se a interação e quebra da molécula de água. Esses resultados corroboram com a proposta da ionização da molécula de água na superfície do material, que representa um processo de hidroxilação e, do ponto de vista experimental, torna-se um aspecto ainda mais relevante no tratamento de corantes e processos de descoloração.Universidade Federal da ParaíbaBrasilQuímicaPrograma de Pós-Graduação em QuímicaUFPBSantos, Iêda Maria Garcia doshttp://lattes.cnpq.br/7060067415685353Sambrano, Julio Ricardohttp://lattes.cnpq.br/6284168579617066Duarte, Thiago Marinho2020-11-05T17:56:12Z2020-03-052020-11-05T17:56:12Z2020-02-05info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/doctoralThesishttps://repositorio.ufpb.br/jspui/handle/123456789/18371porhttp://creativecommons.org/licenses/by-nd/3.0/br/info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPBinstname:Universidade Federal da Paraíba (UFPB)instacron:UFPB2021-09-14T13:24:04Zoai:repositorio.ufpb.br:123456789/18371Biblioteca Digital de Teses e Dissertaçõeshttps://repositorio.ufpb.br/PUBhttp://tede.biblioteca.ufpb.br:8080/oai/requestdiretoria@ufpb.br|| diretoria@ufpb.bropendoar:2021-09-14T13:24:04Biblioteca Digital de Teses e Dissertações da UFPB - Universidade Federal da Paraíba (UFPB)false |
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Propriedades eletrônicas, estruturais e espectroscópicas do Bulk e superfícies do BaSnO3 modelados computacionalmente por teoria de funcional de densidade. Duarte, Thiago Marinho BaSnO3 Teoria do Funcional de Densidade - DFT Superfícies Morfologia Adsorção Água Density Funtional Theory - DFT Surfaces Morphology Dissociation Water CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA |
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Tin-based Perovskites are promising materials due to their physical and chemical properties that are governed by the electronic and structural characteristics of the bulk and their respective surfaces. Such properties allow BaSnO3 (BSO) to be applied as gas sensor, photocatalyst, transparent optical conductor, among other applications. Experimental studies have revealed that the cubic structure of BSO correspond to the thermodynamic ground state. However, tin-based perovskites may adopt polymorphic structures such as tetragonal, rhombohedral and orthorhombic. In this sense, the main aim of this work is the theoretical study of the main properties of BSO in the cubic phase applying the Density Functional Theory, taking into account the influence of the applied methodology in the property’s description. Besides the cubic structure, the polymorphic phases of BSO were evaluated under high pressure (0 to 30 Gpa), aiming to investigate the possibility to obtain other BSO phases. The Murnaghan, Birch-Murnaghan, Poirier-Tarantola and Vinet equations of state (EOS) were used to determine the energy-volume and pressure-volume relationships for the different structures at T = 0 K. Murnaghan's EOS indicated that the transitions of cubic phase → tetragonal → rhombohedral → orthorhombic occur at 8.98, 16.40 and 16.90 GPa, respectively, indicating the possibility of obtaining other phases for BSO. In the second step, the stoichiometric and nonstoichiometric surfaces (0 0 1), (0 1 1) and (1 1 1) of BSO were studied as regard the surface energy and stability. The most stable non-stoichiometric surface is the SnO-terminated (0 0 1), while stoichiometric (0 0 1) and (0 1 1) surfaces may exist simultaneously. This condition had a direct implication in the crystal morphology that was analyzed by the Wullf Construction and allowed the construction of a morphological map for this material. Finally, the stoichiometric surface (0 0 1) with the BaO termination was selected for applications as a water catalyst, taking into account the interaction and possible dissociation of the water molecule on such a surface. From the study of the orientation and site of water adsorption, it was found that water interacts with the surface of BSO through hydrogen. However, topological analysis has shown that the chemical bond has been broken between the surface-interacting hydrogen and the oxygen in the water. These two atoms interact from a hydrogen interaction, but the chemical bond is broken. On the other hand, the adsorbed hydrogen and the superficial oxygen of BSO form a chemical bond and, from the analysis of the band structure and density of states, the interaction and water splitting were confirmed. These results corroborate the proposed ionization of the water molecule on the BSO surface, which represents a hydroxylation process and, from an experimental point of view, becomes an even more relevant aspect concerning dye treatment and discoloration processes. |
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