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Tipo: Dissertação
Título: Investigação do armazenamento de hidrogênio em materiais bidimensionais via teoria do funcional da densidade
Autor(es): Silva, Lorran Tesch da
Primeiro Orientador: Sato, Fernando
Membro da banca: Azevedo, David Lima
Membro da banca: Ludwig, Valdemir Eneias
Resumo: Com o aumento crescente da demanda energética e poluição causada por combustíveis fósseis, surge a necessidade de buscar por fontes de energia limpa eficientes. Dentre as diversas possibilidades, o hidrogênio emerge como candidato favorável devido a sua alta densidade energética e ao fato de não gerar emissão de poluentes durante seu uso. Entretanto, seu armazenamento permanece como um fator limitante devido à necessidade de altas pressões ou temperaturas extremamente baixas. Dentre as alternativas o armazenamento em estado sólido, em especial via adsorção em materiais bidimensionais se mostra promissor, removendo a necessidade do uso de altas pressões e temperaturas extremanebte baixas. Portanto, este trabalho explora através de simulações empregando a teoria do funcional da densidade o uso de dois materiais bidimensionais para o armazenamento de hidrogênio, o NetY-B4N6, proposto e teoricamente caracterizado neste trabalho, e o Dodecanophene, reportado recentemente na literatura. Em relação ao NetY-B4N6, os resultados indicam sua estabilidade mecânica e dinâmica, junto a um comportamento metálico. Em relação ao armazenamento de hidrogênio, o material consegue adsorver de forma estável 32 moléculas de H2 com energia de adsorção média de −0, 180 eV/H2, levando a um armazenamento gravimétrico de 11, 26 wt%. A interação das moléculas com a monocamada se dá por forças de van der Waals. A temperatura de dessorção pode atingir valores próximos a da temperatura ambiente com o uso de baixas pressões. Já o Dodecanophene foi explorado tanto em sua forma prístina quanto às decoradas com átomos de Na e K. Os resultados mostram que a decoração é estável mecanicamente e dinamicamente, sem tendência à aglomeração dos átomos decorantes. Quanto ao armazenamento, as monocamadas prístina e as decoradas com Na e K foram capazes de adsorver de forma estável 28, 16 e 20 moléculas de H2, com energias de adsorção média de −0, 200 eV/H2, −0, 233 eV/H2 e −0, 260 eV/H2, levando a armazenamentos gravimétricos de 10, 59 wt%, 6, 34 wt% e 6, 93 wt%, respectivamente. A análise termodinâmica indica que é possível o armazenamento reversível. Os resultados para as quatro estruturas exploradas estão alinhados com os critérios de armazenamento estabelecidos pelo departamento de energia estadunidense (DOE). Portanto, os materiais bidimensionais explorados neste trabalho são opções promissoras para aplicações futuras ao armazenamento de hidrogênio.
Abstract: With the increasing growth of energy demand and the pollution caused by fossil fuels, the need to search for efficient clean energy sources arises. Among the various possibilities, hydrogen emerges as a favorable candidate due to its high energy density and the fact that it does not generate pollutant emissions during its use. However, its storage remains a limiting factor due to the requirement of high pressures or extremely low temperatures. Among the alternatives, solid-state storage, especially through adsorption on two-dimensional materials, appears promising, eliminating the need for high pressures and extreme temperatures. Therefore, this work explores, through simulations employing density functional theory, the use of two two-dimensional materials for hydrogen storage: the NetY-B4N6, proposed and theoretically characterized in this work, and Dodecanophene, recently reported in the literature. Regarding NetY-B4N6, our results indicate its mechanical and dynamical stability, along with a metallic behavior. Concerning hydrogen storage, it is able to stably adsorb 32 H2 molecules with an average adsorption energy of −0.180 eV/H2, leading to a gravimetric storage capacity of 11.26 wt%. The interaction between the molecules and the monolayer occurs through van der Waals forces. The desorption temperature can reach values close to room temperature under low-pressure conditions. Dodecanophene was investigated in both its pristine form and in forms decorated with Na and K atoms. The results show that the decoration is mechanically and dynamically stable, with no tendency for clustering of the decorating atoms. In terms of storage, the pristine monolayer and the Na- and K-decorated structures were able to stably adsorb 28, 16, and 20 H2 molecules, with average adsorption energies of −0.200 eV/H2, −0.233 eV/H2, and −0.260 eV/H2, leading to gravimetric storage capacities of 10.59 wt%, 6.34 wt%, and 6.93 wt%, respectively. Thermodynamic analysis indicates that reversible storage is possible. The results for the four investigated structures are in agreement with the hydrogen storage criteria established by the U.S. Department of Energy (DOE). Therefore, the two-dimensional materials studied in this work are promising candidates for future hydrogen storage applications.
Palavras-chave: Armazenamento de hidrogênio
Materiais bidimensionais
DFT
Hydrogen storage
Two-dimensional materials
CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Juiz de Fora (UFJF)
Sigla da Instituição: UFJF
Departamento: ICE – Instituto de Ciências Exatas
Programa: Programa de Pós-graduação em Física
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
Attribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil
Licenças Creative Commons: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/
URI: https://repositorio.ufjf.br/jspui/handle/ufjf/20582
Data do documento: 9-Mar-2026
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