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Aplicação da teoria do funcional da densidade (DFT) e da teoria quântica de átomos em moléculas (QTAIM) no entendimento da oxidação anódica de poluentes promovida pelo ânodo de diamante dopado com boro (BDD)
(2020-01-31) Silva, Ámison Rick Lopes da; Huitle, Carlos Alberto Martinez; ; ; Silva, Djalma Ribeiro da; ; Albuquerque, Anderson dos Reis; ; Oliveira, João Bosco Lucena de; ; Xavier, Daniela Karla de Souza; ; Fonseca, Saulo Gregory Carneiro;
Na área de eletroquímica ambiental um foco central é a descontaminação de efluentes. Usando técnicas e materiais catalíticos que promovam a oxidação/mineralização da matéria orgânica presente no efluente. A eletroquímica aplicada a este contexto é considerada uma forma de tratamento que se enquadra na nos princípios da química verde, por exemplo, evita o uso de reagentes agressivos ao meio ambiente. A complexidade química que envolve a oxidação das moléculas poluentes é estudada, na literatura, passo a passo na intenção de entender e propor melhoras nos processos em nível molecular. Para o melhor entendimento dos fenômenos, o uso de métodos computacionais da área de química teórica, são utilizadas partindo do que é indicado pelos resultados experimentais, obtidos pela área de eletroquímica ambiental. As técnicas eletroanalíticas: voltametrias cíclicas (VC) e de pulso diferenciado (VPD), foram aplicadas no sistema utilizando a cafeína como analito; eletrólito suporte de H2SO4 e ânodo de diamante dopado com boro (BDD). O perfil eletroanalítico apresentado para este sistema resultou em um pico oxidativo que caracteriza a oxidação da cafeína como uma oxidação direta, ou seja, um pico que ocorre antes do potencial de descarga da água, indicando que a oxidação da cafeína ocorre diretamente na superfície do BDD. A partir das informações fornecidas pelas medições experimentais de VC e VDP, um cluster da superfície do BDD foi construído computacionalmente para verificar as interações da cafeína com o eletrodo, obtendo parâmetros energéticos e pontos de interações pelos cálculos da Teoria do Funcional da Densidade (DFT), Teoria Quântica de Átomos em Moléculas (QTAIM) e da Função de Localização Eletrônica (ELF). De acordo com os resultados da análise energética, obtidos a partir do DFT, as geometrias mais e menos estáveis foram determinadas por energia de interação (IE). Os dados topológicos das geometrias de interações foram obtidos usando QTAIM e ELF para verificar as influências que ocorreram durante a interação e correlacioná-las à IE. Em um outro sistema que trata de oxidação anódica com um cenário mais ativo usando o BDD para mineralizar poluente, o Eriocromo Black T (EBT), em solução na presença de cátions Mg2+ e Ca2+. Eletro-oxidação feita em batelada e monitorando a descontaminação por meio de Demanda Química de Oxigênio (DQO) e espectroscopia ultravioleta e visível (UV-VIS), o comportamento observado foi o inverso do relatado na literatura quando o tratamento utilizado foi eletro-fenton. Neste cenário, uso do DFT para obter as estruturas dos complexos formados entre EBT e os cátions, e posteriormente cálculos de QTAIM aplicados aos complexos, de maneira a analisar as ligações Metal-Ligante na estrutura dos complexos adultos formados. A densidade eletrônica nestas ligações revela a força dos complexos, de maneira que foi possível comparar a ordem de facilidade em sofrer a eletro-oxidação dentre os complexos formados, esta ordem de facilidade levou em consideração complexos com esfera de coordenação tri e hexavalente, para ambos os complexos de esferas de coordenação não houve alteração de resultados.
Avaliação da oxidação da Lignina do pseudocaule da bananeira catalisada por Co3O4: uma investigação experimental e teórica das propriedades da ligação BO4 com abordagem DFT, QTAIM e NCI
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2021-12-13) Kramer, Carlos Augusto Cabral; Santos, Luciene da Silva; Souto, Carlos Roberto Oliveira; 28467809949; http://lattes.cnpq.br/5481020781565211; http://lattes.cnpq.br/7591795264528020; Albuquerque, Anderson dos Reis; http://lattes.cnpq.br/4983201442276288; Santos, Anne Gabriella Dias; Fonseca, Saulo Gregory Carneiro; Silva, Ámison Rick Lopes da
A lignina é uma macromolécula natural que, em geral, é formada pelas unidades aromáticas siringuila (S), guiacila (G) e hidroxifenil (H). A partir de sua estrutura é possível a obtenção de moléculas de alto valor agregado, entretanto, os processos esbarram na necessidade da quebra da ligação que une estas unidades aromáticas, a ligação βO4, que, em geral, exige condições agressivas sob altas temperaturas e pressões. Focando no desenvolvimento de um método eficiente para oxidação da lignina, porém em condições brandas, experimentalmente foi estudada a oxidação da lignina de bananeira, na presença de gás oxigênio atmosférico e Co3O4 como catalisador heterogêneo, sob temperatura de 80°C e pressão ambiente. A concentração ideal do catalisador verificada foi de 1% (mol/mol), que após 54 horas de reação foi suficiente para a oxidação. Na avaliação pela modelagem computacional com uso dos orbitais de fronteira de Kohn-Sham, observou-se que a oxidação altera abruptamente a topologia eletrônica, reduzindo a energia de ligação em βO4 para todos os modelos considerados e os torna mais reativos. Através da Teoria Quântica de Átomos em Moléculas e da análise de Interações Não Covalentes, investigou-se as principais interações intramoleculares e suas propriedades relacionadas a ligação βO4. Foi observado que ligninas formadas por unidade G e S apresentam menor gap HOMO-LUMO e, portanto, são menos estáveis em comparação com os modelos formados por unidades H. Assim, como possuem mais interações de caráter repulsivo e desestabilizador que tornam a ligação βO4 mais fraca, porém, em algumas conformações específicas ligações de hidrogênio são observadas e fazem o efeito inverso. Isto permite concluir que, ligninas derivadas de madeira de lei (hardwood), naturalmente, são mais reativas e possuem menor energia de dissociação da ligação βO4, em comparação às ligninas derivadas de madeira macia (softwood) e de biomassa de plantas herbáceas. Contudo, todos os tipos de lignina se tornam mais reativas e tem a ligação βO4 mais fraca após a oxidação. Os resultados alcançados neste trabalho contribuíram para a construção de um entendimento a nível micro e macroscópio sobre as propriedades da lignina.
Materials Chemistry applied to bismuth cobaltite-rich nanocomposites with sillenite crystal structure
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2021-12-28) Matias, Jefferson Andrey Lopes; Silva, Djalma Ribeiro da; Oliveira, João Bosco Lucena de; 19127537404; http://lattes.cnpq.br/1360004695124740; http://lattes.cnpq.br/2791074318745945; http://lattes.cnpq.br/1442473144173746; Pergher, Sibele Berenice Castella; http://lattes.cnpq.br/5249001430287414; Torres, Marco Antônio Morales; http://lattes.cnpq.br/0091292234916055; Silva, Ademir Oliveira da; http://lattes.cnpq.br/3511004608337461; Fonseca, Saulo Gregory Carneiro; http://lattes.cnpq.br/9353109277710741; Silva, Isaac Barros Tavares da; http://lattes.cnpq.br/7304355962395872
O avanço científico constante está contribuindo para o surgimento de materiais multifuncionais, visando suprir a crescente demanda mundial por tecnologia. Em face disso, o estudo e desenvolvimento dos materiais está diretamente associado à compreensão da Química de Materiais. Nesse cenário, a presente tese tem como objetivo a aplicação dos quatro pilares da Química de Materiais (síntese, caracterização, propriedades e aplicações) na produção de um nanocompósito inorgânico rico em cobaltita de bismuto com estrutura cristalina de silenita (Silenita de Co - Co3O4) como candidato promissor para uso científicotecnológico. Em um primeiro estudo, foram preparadas duas amostras policristalinas do nanocompósito usando os métodos de combustão e sol-gel, com tamanhos de grãos variando de 64,4 nm a 80 nm em todas as fases. A amostra de combustão apresentou difratograma com picos de silenita um pouco assimétricos, o que indicou a presença de silenita com alguma variação em sua estequiometria. A partir da susceptibilidade magnética, foi verificado que a amostra de combustão tem um grau de frustração magnética duas vezes maior que a amostra de sol-gel. Ambas as amostras apresentaram uma temperatura de Néel de 36 K para a fase secundária Co3O4 e uma histerese a 6 K. No entanto, nas medidas de M-T com campo magnético de 200 Oe, acima de 148 K, apenas a amostra de combustão apresentou um sinal superparamagnético, esse sinal muda para 70 K quando é aplicado um campo magnético de 600 Oe. Em um segundo trabalho, direcionado para aplicação do nanocompósito, foi relatado o processo de produção via rota de combustão e caracterização do pó de Silenita Co – Co3O4. A caracterização dielétrica do nanocompósito apresentou resultados significativos na banda X, com baixos valores de condutividade e tangente de perda na faixa de 6,0 GHz a 8,5 GHz, característica que permite sua aplicação como substrato de ressonadores. Diante disso, o nanocompósito foi aplicado como substrato em uma antena de microfita. As medidas do coeficiente de reflexão apresentaram boa concordância com as simulações, atingindo apenas 0,39% de erro na frequência de ressonância, validando as caracterizações morfológicas e dielétricas realizadas, conforme projeto da antena. Em uma terceira investigação, foram realizados a otimização da síntese do nanocompósito a partir de um planejamento experimental Box-Behnken e um estudo das propriedades estruturais, químicas e dielétricas foi realizado para as amostras sintetizadas por três diferentes tipos de combustíveis: ureia, glicina e etilenoglicol. Quinze amostras foram preparadas combinando etapas do método combustão e sol-gel em baixas temperaturas, para avaliar os efeitos do tipo de combustível, juntamente com a porcentagem de combustível e do pH inicial da reação na concentração de massa relativa da fase Silenita Co (% CoS) presente no nanocompósito. Experimentos de validação confirmaram o bom potencial preditivo do modelo quadrático proposto entre a resposta e as variáveis significativas, com a amostra de etilenoglicol apresentando a maior % CoS com 87,92%.
Propriedades estruturais e magnéticas de ferritas de cobalto e cobre dopadas com gadolínio (gd3+) sintetizadas pelo método de combustão
(2018-08-07) Fonseca, Saulo Gregory Carneiro; Silva, Ademir Oliveira da; Oliveira, João Bosco Lucena de; ; ; ; Pergher, Sibele Berenice Castella; ; Bueno, Aline Carvalho; ; Silva, Elania Maria Fernandes; ; Moura Neto, Érico de;
Nanoferritas de Co e Cu dopadas com íons Gd3+ de fórmula geral Co0,5Cu0,5Fe2-xGdxO4 (x = 0, 0,02, 0,04 e 0,06) foram sintetizadas pelo método da combustão e calcinadas a 900 ºC. As características estruturais foram analisadas por espectroscopia de absorção na região do infravermelho (FTIR), difração de raios X (DRX) com refinamento pelo método Rietveld, microscopia eletrônica de varredura (MEV) e suas propriedades magnéticas estudadas por magnetometria de amostra vibrante (MAV). Por FTIR determinou-se que a presença de cátions Gd3+ nas amostras desloca os estiramentos entre Fe3+ – O 2- para menores números de onda. Os resultados das análises de DRX com refinamento pelo método Rietveld, indicam que as amostras possuem estruturas cúbicas do tipo espinélio e, nas ferritas dopadas com cátions Gd3+ houve a formação de uma segunda fase de estrutura ortorrômbica (GdFeO3), o tamanho dos cristalitos foram calculados pela equação de Scherrer e os valores medidos ficaram na faixa entre 16,84 a 66,51 nm, os valores medidos dos parâmetros de rede (a), aumentaram com o incremento de cátions Gd3+. Sobre os resultados do MAV detectou-se que os valores de MS inicialmente crescem com aumento da concentração de Gd3+ atingindo valor máximo para a ferrita Co0,5Cu0,5Fe1,98Gd0,02O4, porém decrescem para maiores concentrações de Gd3+, o que pode ser atribuído as migrações catiônicas entre os sítios octaédricos e tetraédricos dos espinélios, em conjunto com a formação da fase secundária GdFeO3, os valores de Hc e K cresceram em maiores concentrações de Gd3+, enquanto que os valores de HR permanecem constantes, entretanto os valores de HR/HC medidos estão na faixa 0,4 a 0,3 indicando a formação de pseudo-monodomínios magnéticos. Os resultados dos nB’s teóricos e experimentais inicialmente crescem, porém para maiores concentrações de Gd3+ foi observado uma diminuição nos valores de nB, foi proposto que os valores dos momentos magnéticos são fortemente influenciados pelas distribuições catiônicas e pela composição química das ferritas. Os materiais sintetizados no presente trabalho apresentaram características de materiais magnéticos moles, com possibilidades de aplicações no campo de absorção de radiação na região de micro-ondas.
Uma sequência de atividades para abordar conceitos de oxirredução utilizando a estratégia de resolução de problemas
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2024-05-29) Rocha, Elter Eduardo Bezerra da; Oliveira, João Bosco Lucena de; Matias, Jefferson Andrey Lopes; https://orcid.org/0000-0002-8946-2521; http://lattes.cnpq.br/1360004695124740; Malcher, Grazielle Tavares; Fonseca, Saulo Gregory Carneiro
O ensino de eletroquímica é muito desafiador para os professores, tendo em vista que é comum grande parte dos alunos considerarem a química como de difícil compreensão, devido a sua abstração, principalmente os conhecimentos relacionados à oxirredução. Diante disso, realizou-se uma busca em bases de dados da literatura sobre o ensino de química e muitos trabalhos encontrados investigam e demonstram a potencialidade da metodologia de Resolução de Problemas (RP) para o ensino de ciências. Nesse sentido, esse trabalho de mestrado busca saber como uma Sequência de Atividades (SA) utilizando a abordagem metodológica da RP pode auxiliar o ensino-aprendizagem de oxirredução na educação básica. Para tanto, propõe-se uma sequência de atividades para o ensino de conceitos relacionados à oxirredução utilizando a abordagem metodológica da RP. A sequência de atividades foi desenvolvida ao longo de cinco momentos ou etapas que se constituíram em: 1°) identificação dos conhecimentos prévios, 2°) Leitura de texto jornalístico, 3°) Resolução de exercícios, 4°) Aula expositivo-dialogada e 5°) Aplicação de um problema. Os sujeitos da pesquisa são alunos da terceira série do ensino médio de uma escola privada localizada em Natal/RN. E utilizou-se como instrumentos para coleta de dados a observação participante, questionários com perguntas fechadas e abertas aplicados no decorrer das atividades. Para proceder com a avaliação, os dados obtidos foram categorizados e analisados de forma qualitativa. Os resultados demonstram que a maioria dos alunos conseguiu utilizar os conhecimentos de oxirredução adequadamente para resolver o problema final proposto que trata de um contexto de vida dos alunos. Dessa forma, pode-se inferir que a metodologia empregada possibilitou aos alunos o uso de conhecimentos científicos para resolver situações problemáticas relativas ao seu cotidiano.
Síntese e Caracterização de Titanatos de Cobalto e Níquel, dopados com Praseodímio, obtidos a partir da decomposição de Nitrilotriacetatos
(Universidade Federal do Rio Grande do Norte, 2013-02-28) Fonseca, Saulo Gregory Carneiro; Silva, Ademir Oliveira da; ; http://lattes.cnpq.br/3511004608337461; ; Lemos, Francisco das Chagas Dantas de; ; http://lattes.cnpq.br/8124102870104095; Oliveira, João Bosco Lucena de; ; http://lattes.cnpq.br/1360004695124740; Moura, Maria de Fátima Vitória de; ; http://lattes.cnpq.br/2959800336802498
Nos últimos anos, os estudos das propriedades físico-químicas de óxidos mistos, tem despertado o interesse da comunidade científica, propriedades como: piezoeletricidade, fotoluminescência, ou aplicações em catálise, surgem destes compostos quando se modifica as composições químicas destes materiais, neste contexto algumas rotas são empregadas na síntese destes materiais, dentre elas pode-se citar os métodos: cerâmico, combustão coprecipitação, Pechini ou dos precursores poliméricos, hidrotérmico, sol-gel; tais rotas dividem-se em rotas tradicionais ou em rotas químicas. No presente trabalho foram sintetizados óxidos com composição variável, a partir das decomposições térmicas dos nitrilotriacetatos de titânio, cobalto, níquel e praseodímio. Os nitrilotriacetatos obtidos foram caracterizados por Espectroscopia de Absorção na Região do Infravermelho (FTIR), Termogravimetria (TG/DTG) e Calorimetria Exploratória Diferencial (DSC), enquanto que os óxidos sintetizados foram caracterizados por Difração de Raios-X (DRX), Espectrofluorimetria e Espectroscopia de Absorção na Região do Infravermelho (FTIR). A partir dos dados de Espectroscopia de Absorção na Região de Infravermelho (FTIR), determinou-se o deslocamento da banda correspondente ao grupo carboxilato (νCOOH) de 1712 cm-1, presente no ácido nitrilotriacético (H3NTA), para a faixa de 1680-1545cm-1, em que ocorre nos nitrilotriacetatos coordenados. Pelos dados de análise térmica (TG/DTG/DSC) indicou-se que em atmosfera oxidante (ar) os óxidos são obtidos a menores temperaturas do que em atmosfera inerte N2(g). Por Difração de Raios-X (DRX), determinou-se que os óxidos obtidos são cristalinos, e que as fases predominantes obtidas nos titanatos sintetizados, são as fases rutilo e ilmenita. Por Espectrofluorimetria observou-se que a intensidade das bandas de emissão são diretamente proporcionais à concentração dos íons Ni2+, Co2+ e Pr3+. A partir dos dados fornecidos pela Espectroscopia de Absorção na Região do Infravermelho (FTIR) dos óxidos, demonstrou-se a remoção das bandas características dos estiramentos dos nitrilotriacetatos, após tratamento térmico, indicando a completa decomposição dos nitrilotriacetatos em óxidos

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