Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, 2007. / Submitted by Luis Felipe Souza (luis_felas@globo.com) on 2008-12-10T17:05:47Z No. of bitstreams: 1 Tese_2007_EltonCastro.pdf: 4223477 bytes, checksum: 02cdcad1f8f69eda7377b3a116a1dae9 (MD5) / Approved for entry into archive by Georgia Fernandes(georgia@bce.unb.br) on 2009-03-03T19:18:19Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Tese_2007_EltonCastro.pdf: 4223477 bytes, checksum: 02cdcad1f8f69eda7377b3a116a1dae9 (MD5) / Made available in DSpace on 2009-03-03T19:18:19Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Tese_2007_EltonCastro.pdf: 4223477 bytes, checksum: 02cdcad1f8f69eda7377b3a116a1dae9 (MD5) / Foram realizados cálculos de mecânica molecular, semi-empíricos e abinitio para o estudo de sistemas baseados em caulinita. As posições e freqüências dos hidrogênios foram estudadas na estrutura da caulinita. As posições dos hidrogênios são polêmicas, principalmente os hidrogênios entre as folhas octaédrica e tetraédrica. Também estudou-se a interação deste argilomineral com os hidrocarbonetos monoaromáticos benzeno, tolueno, etilbenzeno, o-xileno e pxileno, bem como com os metais pesados Cd2+, Cu2+, Zn2+, Hg2+ e Ni2+. A caulinita é conhecida pela sua capacidade adsorvente para moléculas orgânicas e metais pesados, sendo importante em técnicas de remediação ambiental. Modelos de aglomerados com 1, 2 e 3 unidades (Al2Si2O9H4) foram usados para estudar o desempenho dos conjuntos de base. A geometria da caulinita foi parcialmente otimizada. Para a otimização da posição do hidrogênio interno empregou-se os métodos RHF/3-21G* e B3LYP/3-21G* com 2 e 3 unidades (Al2Si2O9H4) da caulinita. O método híbrido ONIOM também foi usado com 3 unidades (Al2Si2O9H4) e RHF/3-21G* (ou B3LYP/3-21G*) na camada alta e 12 unidades (Al2Si2O9H4) e o campo de força Dreiding na camada baixa de teoria. Quando comparados com os valores experimentais, os resultados dos cálculos indicamq que o ONIOM2(B3LYP/3-21G*:Dreiding) dá os melhores valores para a distância O-H e ângulos r e l, 0,993Å, 114,8° e 107,6°, respectivamente. Os cálculos de freqüência para os hidrogênios externos e internos com o modelo de 3 unidades (Al2Si2O9H4) mostram que o método RHF/3-21G* se aproxima mais dos resultados experimentais do que os semi-empíricos AM1 e PM3. Estes três métodos apontam para um estiramento da hidroxila interna num número de onda menor do que os das hidroxilas externas. Os espectros teóricos produzidos com o AM1 mostram que há uma redução nas intensidades das bandas de estiramento das hidroxilas externas quando estas interagem com as moléculas BTEX. Também foi encontrado um deslocamento nas bandas de estiramento C-H destas moléculas. As energias de interação, obtidas com os métodos AM1, RHF e B3LYP para os complexos BTEX-Caulinita, sugerem que a adsorção acontece preferencialmente pela superfície hidroxilada da caulinita, ao invés da superfície dos oxigênios. Os métodos de Mülliken e ChelpG indicam que ocorre uma redistribuição nas cargas dos átomos mais próximos das superfícies da caulinita, ficando os hidrogênios mais eletronegativos e os carbonos, mais eletropositivos. Os mapas de potencial eletrostático para os complexos BTEX-Caulinita mostram também uma redistribuição de densidade quando as moléculas interagem com a superfície do argilomineral, corroborando com os resultados de Mülliken e ChelpG. Os orbitais moleculares do benzeno, tolueno e o-xileno adsorvidos pela caulinita sugerem que esta interação acontece através da nuvem p dos compostos aromáticos com as hidroxilas externas da caulinita. Para o estudo dos complexos de metais pesados-caulinita foi usado o ONIOM2(HF/3-21G*:UFF) e ONIOM2(B3LYP/3-21G*:UFF). Para estes modelos da caulinita de 2 camadas, o nível alto de teoria contém um anel da folha octaédrica e um anel da folha tetraédrica mais o cátion. O nível baixo contém 24 unidades (Al2Si2O9H4). A ordem de afinidade encontrada para o resultado B3LYP foi Cu2+>Ni2+>Zn2+>Hg2+>Cd2+, concordando com os resultados experimentais para Cu2+ e Ni2+. O mapa de superfície traçado para a superfície hidroxilada da caulinita sugere que há uma repulsão significativa do metal por esta superfície. _________________________________________________________________________________________ ABSTRACT / Molecular Mechanics, semi-empirical and ab initio calculations were performed in order to study kaolinite based systems. The hydrogen positions and frequencies were studied in the kaolinite structure. Hydrogen positions have been controversial, mainly the hydrogen species between octahedral and tetrahedral sheets. It has also studied the interaction of this clay mineral with the monoaromatic hydrocarbons benzene, toluene, ethylbenzene, o-xylene and pxylene, as well as the interaction with heavy metals Cd2+, Cu2+, Zn2+, Hg2+ and Ni2+. The adsorbent capacity of kaolinite for organic molecules and heavy metals are of main interest on environmental remediation techniques. Cluster models with 1, 2 and 3 units (Al2Si2O9H4) were used to study the basis set performance. The kaolinite geometry was partially optimized. RHF/3-21G* and B3LYP/3-21G* methods with 2 and 3 units (Al2Si2O9H4) of kaolinite were used for optimization of internal hydrogen positions. The hybrid method ONIOM was also used with 3 units (Al2Si2O9H4) and RHF/3-21G* (or B3LYP/3-21G*) on the high layer and with 12 units (Al2Si2O9H4), and Dreiding force field for the low layer theory. Hybrid method results indicate that ONIOM2(B3LYP/3-21G*:Dreiding) gives the best values for OH distance and r and l angles, 0,993Å, 114,8° and 107,6°, respectively, when compared to the experimental values. Frequency calculations, for the external and internal hydrogens with 3 units (Al2Si2O9H4) model, show that RHF/3-21G* approach results are closer to the experimental than AM1 and PM3 semi-empirical methods. These three methods have a internal hydroxyl stretching frequency at wave number smaller than the one of the external hydroxyls. Theoretical spectra produced with AM1 show a reduction in intensities of external hydroxyl stretching bands of kaolinite, when these interact with BTEX molecules. It was also found a displacement on C-H stretching bands of these molecules. Interaction energies obtained with AM1, RHF and B3LYP methods, for BTEX-Kaolinite complexes, suggest that the adsorption occurs preferentially by kaolinite hydroxyl surfaces, instead of kaolinite oxygen surfaces. Mülliken and ChelpG methods indicate that there is charge redistribution on BTEX atoms that are near kaolinite surfaces. These hydrogens become more eletronegatives and the carbons more eletropositives. Eletrostatic potential map for complexes BTEX-Kaolinite show that there is charge redistribution when the molecules interact with clay mineral surfaces, in agreement to the Mülliken and ChelpG results. Benzene, toluene and o-xylene molecular orbitals, when adsorbed on kaolinite, suggest that this interaction is through the p clouds of aromatic compounds with kaolinite external hydroxyls. Complexes heavy metals-kaolinite study was achieved using ONIOM2(HF/3-21G*:UFF) and ONIOM2(B3LYP/3-21G*:UFF) for the kaolinite 2 layers model. The high level of theory has one ring of octaedrical sheet and one ring of tetraedrical sheet plus cation. The low level they contain 24 units(Al2Si2O9H4). The affinity order found for B3LYP result was Cu2+>Ni2+>Zn2+>Hg2+>Cd2+, which is in agreement to the experimental data for Cu2+ and Ni2+. The surface map plotted for kaolinite hydroxyl surface suggests a significant metal repulsion from this surface.

AGUIAR, Acrísio Lins de. Nanotubos de carbono de parede dupla submetidos à condições extremas de altas pressões e altas temperaturas. 2012. 197 f. Tese (Doutorado em Física) - Programa de Pós-Graduação em Física, Departamento de Física, Centro de Ciências, Universidade Federal do Ceará, Fortaleza, 2012. / Submitted by Edvander Pires (edvanderpires@gmail.com) on 2015-05-29T19:28:11Z No. of bitstreams: 1 2012_tese_alaguiar.pdf: 15566235 bytes, checksum: 090d7b1014d9ecd24a1e1d5a822ba0ec (MD5) / Approved for entry into archive by Edvander Pires(edvanderpires@gmail.com) on 2015-05-29T19:30:54Z (GMT) No. of bitstreams: 1 2012_tese_alaguiar.pdf: 15566235 bytes, checksum: 090d7b1014d9ecd24a1e1d5a822ba0ec (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-29T19:30:54Z (GMT). No. of bitstreams: 1 2012_tese_alaguiar.pdf: 15566235 bytes, checksum: 090d7b1014d9ecd24a1e1d5a822ba0ec (MD5) Previous issue date: 2012 / Nesta tese apresentamos os resultados referentes aos estudos de nanotubos de carbono de parede dupla submetidos à condições de pressão hidrostática usando ferramentas experimentais e teóricas. A partir de cálculos teóricos de propriedades estruturais e de estrutura eletrônica usando primeiros princípios e potenciais clássicos, estudamos a evolução estrutural dos nanotubos de carbono e suas propriedades vibracionais em função da pressão hidrostática. Estudamos amostras de nanotubos de carbono em feixes bundles puros e modificados quimicamente através da dopagem (intercalação) de moléculas de bromo quando submetidos a condições extremas de altas pressões, utilizando principalmente técnicas de espectroscopia Raman. Medidas de Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM), análise de composição química por XPS e absorção de raios-X foram utilizadas de forma complementar. Apresentamos a perspectiva de entender os efeitos químicos sob o comportamento estrutural dos nanotubos de carbono ao aplicarmos altas pressões. As propriedades vibracionais dos nanotubos foram estudadas até pressões de 30 GPa usando dois diferentes meios de transmissão de pressão: óleo de parafina e NaCl sólido. Estudamos o comportamento do nanotubo interno em relação à estabilidade do nanotubo externo quando submetido a pressão e suas implicações durante o colapso da estrutura. O efeito de incluir uma espécie no interior de um nanotubo também é discutido com respeito ao colapso. O comportamento eletrônico, vibracional e estrutural das moléculas de Bromo intercaladas nos canais intersticiais 1D dos feixes de nanotubos foi estudado e observamos que a formação de poliânions do tipo Brn (n=2,3,5) é preferencial mesmo no regime de altas pressões. Além disso, o comportamento dos poliânions é profundamente modificado quando a estrutura atinge o colapso com o aumento da pressão aplicada. Apresentaremos também resultados de nanotubos de carbono de parede dupla sob condições de altas pressões e altas temperaturas. Estes estudos foram conduzidos com o objetivo de obter novas estruturas de carbono através do colapso da estrutura e/ou criação de ligações sp3 entre os tubos, o qual é potencializado pelo aumento da temperatura em condições extremas de pressão. Diferentes experimentos foram realizados usando a célula Paris-Edinburg que é capaz de submeter um sistema à um ponto específico do diagrama de fase p-T (pressão x Temperatura) ao mesmo tempo. Nossos resultados foram discutidos em termos do conhecimento atual na área e contribui com pontos adicionais no diagrama de fase para nanotubos de carbono. Diversas estruturas como grafite desordenado, diamante, nanotubos estruturalmente modificados e possíveis formações polimerizadas de nanotubos foram discutidas em termos dos resultados obtidos neste trabalho. Esses idéias servem de base para a possibilidade de criação de estruturas híbridas com os nanotubos de paredes duplas. Neste caso, o tubo externo participaria ativamente através do ambiente químico externo a fim de obter ligações do tipo sp3 e o tubo interno poderia servir de suporte para o sistema como um todo. / Dans cette thèse, nous présentons les résultats de l’étude nanotubes de carbone double parois soumis à l’application de la pression hydrostatique à l’aide d’outils expérimentaux et théoriques. En utilisant des calculs théoriques ab initio et avec des potentiels classique nous avons étudié l’évolution structurelle sous pression de nanotubes de carbone et ses propriétés électroniques et vibrationnels. En parallèle, nous avons étudié des échantillons de nanotubes de carbone en fagot (bundles) pures et chimiquement modifiés par le dopage (intercalation) avec des molécules de brome (Br2) lorsqu’ils sont étés soumis à des conditions extrêmes de pression très élevée en utilisant principalement la spectroscopie Raman. Des mesures de microscopie de transmission électronique (TEM), l’analyse de composition chimique par spectroscopie de photon-électron par rayons-X (XPS) et l’absorption des rayons X (XAS) ont également été utilisées pour donner une interprétation complémentaire. Ces résultats donnent une meilleure compréhension des effets chimiques sur le comportement de la structure des nanotubes de carbone sous contraintes de pression élevées. Les propriétés vibrationnels de l’échantillon ont été observées jusqu’à des pressions de 30 GPa en utilisant deux milieux de transmission de la pression: l’huile de paraffine et du NaCl solide. En utilisant le spectre Raman des modes tangentiels (G band) et des modes de respirations radial (RBM), nous étudions le comportement du nanotube interne par rapport à la stabilité du nanotube externe lorsqu’il est soumis à la pression et ses implications pour le renforcement de la structure. L’effet de l’inclusion d’une espèce à l’intérieur d’un nanotube est également discuté par rapport à la stabilité du tube. Les propriétés électroniques, vibrationnels et structurales des molécules de brome intercalés dans les canaux interstitiels des fagot de nanotubes 1D a été étudié et on a observé que la formation de chaines de poly anions Brn (n = 2,3,5) est préférée même sous haute pression. Le comportement des polyanions est encore profondément modifié lorsque la structure atteint la pression critique de collapse. Nous présentons ensuite les résultats de l’étude nanotubes de carbone double-parois soumis à des conditions de pressions et températures très élevés. Ces travaux ont été conduits avec l’objectif d’obtenir de nouvelles structures à base de de carbone grâce à le renforcement de la structure par le tube interne et en créant des liaisons sp3 entre les tubes, ce que peut être stimulé par l’augmentation de température dans des conditions extrêmes de pression. Différentes expériences ont été réalisées à l’aide de la cellule Paris-Edimbourg qui peut conduire le système `a un point spécifique du diagramme de phase pT (pression x température). Nos résultats ont été discutés par rapport les connaissances actuelles avec une compilation des études récents pour les nanotubes de carbone soumis à des conditions extrêmes. Plusieurs structures ont été proposées avec les nanotubes double-parois avec la possible formation aussi du graphite désordonné, diamant, nanotubes structurellement modifiés ou des nanotubes polymérises. Ces différentes structures ont été discutées en termes des résultats obtenus dans ce travail après la caractérisation des échantillons traités dans la presse Paris-Edinburg. Ces idées sont le fondement de la possibilité de créer des nouvelles structures hybrides à base des nanotubes de carbone à double-parois. Dans ce cas, le tube externe participe activement pour le system à l’environnement chimique externe peut être à travers des liaisons sp3 et le tube interne pourrait servir de support mécanique pour tout le système.

Conselho Nacional de Desenvolvimento CientÃfico e TecnolÃgico / Dans cette thÃse, nous prÃsentons les rÃsultats de lâÃtude nanotubes de carbone double parois soumis à lâapplication de la pression hydrostatique à lâaide dâoutils expÃrimentaux et thÃoriques. En utilisant des calculs thÃoriques ab initio et avec des potentiels classique nous avons Ãtudià lâÃvolution structurelle sous pression de nanotubes de carbone et ses propriÃtÃs Ãlectroniques et vibrationnels. En parallÃle, nous avons Ãtudià des Ãchantillons de nanotubes de carbone en fagot (bundles) pures et chimiquement modifiÃs par le dopage (intercalation) avec des molÃcules de brome (Br2) lorsquâils sont ÃtÃs soumis à des conditions extrÃmes de pression trÃs ÃlevÃe en utilisant principalement la spectroscopie Raman. Des mesures de microscopie de transmission Ãlectronique (TEM), lâanalyse de composition chimique par spectroscopie de photon-Ãlectron par rayons-X (XPS) et lâabsorption des rayons X (XAS) ont Ãgalement Ãtà utilisÃes pour donner une interprÃtation complÃmentaire. Ces rÃsultats donnent une meilleure comprÃhension des effets chimiques sur le comportement de la structure des nanotubes de carbone sous contraintes de pression ÃlevÃes. Les propriÃtÃs vibrationnels de lâÃchantillon ont Ãtà observÃes jusquâà des pressions de 30 GPa en utilisant deux milieux de transmission de la pression: lâhuile de paraffine et du NaCl solide. En utilisant le spectre Raman des modes tangentiels (G band) et des modes de respirations radial (RBM), nous Ãtudions le comportement du nanotube interne par rapport à la stabilità du nanotube externe lorsquâil est soumis à la pression et ses implications pour le renforcement de la structure. Lâeffet de lâinclusion dâune espÃce à lâintÃrieur dâun nanotube est Ãgalement discutà par rapport à la stabilità du tube. Les propriÃtÃs Ãlectroniques, vibrationnels et structurales des molÃcules de brome intercalÃs dans les canaux interstitiels des fagot de nanotubes 1D a Ãtà Ãtudià et on a observà que la formation de chaines de poly anions Brn (n = 2,3,5) est prÃfÃrÃe mÃme sous haute pression. Le comportement des polyanions est encore profondÃment modifià lorsque la structure atteint la pression critique de collapse. Nous prÃsentons ensuite les rÃsultats de lâÃtude nanotubes de carbone double-parois soumis à des conditions de pressions et tempÃratures trÃs ÃlevÃs. Ces travaux ont Ãtà conduits avec lâobjectif dâobtenir de nouvelles structures à base de de carbone grÃce à le renforcement de la structure par le tube interne et en crÃant des liaisons sp3 entre les tubes, ce que peut Ãtre stimulà par lâaugmentation de tempÃrature dans des conditions extrÃmes de pression. DiffÃrentes expÃriences ont Ãtà rÃalisÃes à lâaide de la cellule Paris-Edimbourg qui peut conduire le systÃme `a un point spÃcifique du diagramme de phase pT (pression x tempÃrature). Nos rÃsultats ont Ãtà discutÃs par rapport les connaissances actuelles avec une compilation des Ãtudes rÃcents pour les nanotubes de carbone soumis à des conditions extrÃmes. Plusieurs structures ont Ãtà proposÃes avec les nanotubes double-parois avec la possible formation aussi du graphite dÃsordonnÃ, diamant, nanotubes structurellement modifiÃs ou des nanotubes polymÃrises. Ces diffÃrentes structures ont Ãtà discutÃes en termes des rÃsultats obtenus dans ce travail aprÃs la caractÃrisation des Ãchantillons traitÃs dans la presse Paris-Edinburg. Ces idÃes sont le fondement de la possibilità de crÃer des nouvelles structures hybrides à base des nanotubes de carbone à double-parois. Dans ce cas, le tube externe participe activement pour le system à lâenvironnement chimique externe peut Ãtre à travers des liaisons sp3 et le tube interne pourrait servir de support mÃcanique pour tout le systÃme. / Nesta tese apresentamos os resultados referentes aos estudos de nanotubos de carbono de parede dupla submetidos à condiÃÃes de pressÃo hidrostÃtica usando ferramentas experimentais e teÃricas. A partir de cÃlculos teÃricos de propriedades estruturais e de estrutura eletrÃnica usando primeiros princÃpios e potenciais clÃssicos, estudamos a evoluÃÃo estrutural dos nanotubos de carbono e suas propriedades vibracionais em funÃÃo da pressÃo hidrostÃtica. Estudamos amostras de nanotubos de carbono em feixes bundles puros e modificados quimicamente atravÃs da dopagem (intercalaÃÃo) de molÃculas de bromo quando submetidos a condiÃÃes extremas de altas pressÃes, utilizando principalmente tÃcnicas de espectroscopia Raman. Medidas de Microscopia EletrÃnica de TransmissÃo (TEM), anÃlise de composiÃÃo quÃmica por XPS e absorÃÃo de raios-X foram utilizadas de forma complementar. Apresentamos a perspectiva de entender os efeitos quÃmicos sob o comportamento estrutural dos nanotubos de carbono ao aplicarmos altas pressÃes. As propriedades vibracionais dos nanotubos foram estudadas atà pressÃes de 30 GPa usando dois diferentes meios de transmissÃo de pressÃo: Ãleo de parafina e NaCl sÃlido. Estudamos o comportamento do nanotubo interno em relaÃÃo à estabilidade do nanotubo externo quando submetido a pressÃo e suas implicaÃÃes durante o colapso da estrutura. O efeito de incluir uma espÃcie no interior de um nanotubo tambÃm à discutido com respeito ao colapso. O comportamento eletrÃnico, vibracional e estrutural das molÃculas de Bromo intercaladas nos canais intersticiais 1D dos feixes de nanotubos foi estudado e observamos que a formaÃÃo de poliÃnions do tipo Brn (n=2,3,5) à preferencial mesmo no regime de altas pressÃes. AlÃm disso, o comportamento dos poliÃnions à profundamente modificado quando a estrutura atinge o colapso com o aumento da pressÃo aplicada. Apresentaremos tambÃm resultados de nanotubos de carbono de parede dupla sob condiÃÃes de altas pressÃes e altas temperaturas. Estes estudos foram conduzidos com o objetivo de obter novas estruturas de carbono atravÃs do colapso da estrutura e/ou criaÃÃo de ligaÃÃes sp3 entre os tubos, o qual à potencializado pelo aumento da temperatura em condiÃÃes extremas de pressÃo. Diferentes experimentos foram realizados usando a cÃlula Paris-Edinburg que à capaz de submeter um sistema à um ponto especÃfico do diagrama de fase p-T (pressÃo x Temperatura) ao mesmo tempo. Nossos resultados foram discutidos em termos do conhecimento atual na Ãrea e contribui com pontos adicionais no diagrama de fase para nanotubos de carbono. Diversas estruturas como grafite desordenado, diamante, nanotubos estruturalmente modificados e possÃveis formaÃÃes polimerizadas de nanotubos foram discutidas em termos dos resultados obtidos neste trabalho. Esses idÃias servem de base para a possibilidade de criaÃÃo de estruturas hÃbridas com os nanotubos de paredes duplas. Neste caso, o tubo externo participaria ativamente atravÃs do ambiente quÃmico externo a fim de obter ligaÃÃes do tipo sp3 e o tubo interno poderia servir de suporte para o sistema como um todo.