Quebra da ligação O-H no sistema H$_{2}$O-Au(111): O papel da ZPE

Quebra da ligação O-H no sistema H$_{2}$O-Au(111): O papel da ZPE

• Autor
• João Pedro C. Rheinheimer
• Co-autores
• Daniel Oliveira , Luana S. Pedroza
• Resumo

• A interação entre H$_2$O e superfícies metálicas desempenha um papel relevante em campos que envolvem catálise e eletroquímica, tornando a investigação dessas interfaces um tema fundamental de pesquisa. Um dos principais desafios na pesquisa de sistemas como esses encontra-se na forma de se descrever atomisticamente o sistema. Em particular, para descrever o comportamento da água, considerando a pequena massa dos Hidrogênios, os efeitos quânticos nucleares (NQE) passam a ser importantes e desta forma, é essencial avaliar o impacto que os NQEs podem causar em interfaces água-metal.

   

  Tendo este panorama em mente, realizou-se neste trabalho o estudo do monômero de H$_2$O absorvido em uma superfície de Au(111), utilizando para isso a Teoria do Funcional de Densidade (DFT), considerando dois diferentes funcionais de troca e correlação, PBE e vdW-BH.

   

  Inicialmente foi realizada a análise estrutural para três conformações do sistema denominadas: flat (com o plano formado pelas ligações O-H paralelo à superfície de ouro), up (com o plano formado pelas ligações O-H na mesma direção e sentido do vetor normal à superfície) e down (com o plano formado pelas ligações O-H na mesma direção e com sentido oposto ao vetor normal à superfície). Uma aproximação harmônica foi utilizada para calcular os modos normais de vibração do monômero de água para as três diferentes conformações, permitindo analisar a influência da geometria - e consequentemente da interação com a superfície - sobre o comportamento vibracional do sistema. O cálculo dos modos normais de vibração também permitiram a obtenção da energia de ponto zero (ZPE) de cada uma das estruturas, importante para analisar o impacto de efeitos quânticos nucleares. 

   

  Em seguida, buscando avaliar o processo de quebra da ligação O-H no monômero, o método Nudged Elastic Band (NEB) foi empregado para identificar estruturas pertencentes a um possível caminho de mínima energia (MEP) desta reação. A partir disto, foi possível determinar estruturas correspondentes ao estado inicial (IS), ao estado de transição (TS) e ao estado final (FS), bem como o cálculo da barreira de energia potencial da reação (energia de dissociação do monômero). A aproximação harmônica foi utilizada para obter os modos vibracionais e a ZPE das estruturas obtidas pelo NEB. A partir da ZPE foi realizada uma correção na barreira de energia potencial obtida inicialmente, permitindo assim comparar a influência desse tipo de efeito quântico nuclear. Os valores de energia de dissociação não corrigidos foram de 2,037 eV (PBE) e 1,610 eV (vdW-BH), enquanto os valores corrigidos foram de 1,587 eV (PBE) e 1,169 eV (vdW-BH). Essas descobertas preliminares demonstram que a ZPE reduz a energia necessária para a dissociação da água em Au(111), ressaltando a necessidade de mais simulações para compreender totalmente a influência da NQE nesses sistemas.

• Palavras-chave
• água, teoria do funcional de densidade, efeitos quânticos nucleares, energia de ponto zero
• Modalidade
• Comunicação oral
• Área Temática
• Nanociência e Nanotecnologia