Neste trabalho utilizamos métodos computacionais ab initio, baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT), para simular em nível atomístico propriedades estruturais, eletrônicas e magnéticas de nanoestruturas de grafeno. Estudamos nanoflocos de grafeno (GNFs) em estado pristino e GNFs com defeitos intrínsecos (monovacância, divacância e Stone-Wales). Escolhemos GNFs com diferentes terminações e formas, e estudamos também empilhamentos duplos - biflocos - em diferentes composições. Empregamos dois enfoques diferentes de DFT, a aproximação de gradiente generalizado simples no nível teórico de Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE), e PBE híbrida (PBEh), incorporando uma fração de troca de Hartree-Fock. Todos os cálculos foram realizados através do código all-electron AIMS, incluindo correções de van der Waals. Nossos GNFs foram escolhidos com simetrias específicas: D2h, D3h e D6h, e com diferentes bordas, armchair (AC), zigue-zague (ZZ) e misturas das duas. Os flocos hexagonais D6h apresentam um gap de energia e nao apresentam spin, enquanto flocos perfeitos com bordas zigue-zague e mistas apresentam spin intrínseco. Esse spin não nulo é devido à diferença no numero de átomos entre uma e outra subrede do grafeno (Liebs imbalance). Defeitos em materiais de carbono sao frequentes, e tem sido estudados experimental e teoricamente. Aqui, estudamos a monovaçancia, através de modelos de cluster e supercélulas, e obtemos para esse defeito o momento magnético de = 2B, (B ´e o magneton de Bohr). Mostramos que as diferenças entre resultados anteriores são oriundas do erro de auto-interação presente na DFT simples, amenizado através do uso de PBEh. Através da mesma metodologia estudamos a interação de nanoestruturas de grafeno com moléculas de água, focalizando em propriedades estruturais. A grafite é um material hidrofóbico, mas a nanoestrutura poderia favorecer a interação com a água. Obtemos que pequenos agregados de água são adsorvidos na superfície de GNFs e biflocos, entretanto a inclusão desses agregados na região interna dos biflocos é altamente desfavorável. Assim podemos esperar que essas nanoestruturas empilhadas sejam também hidrofóbicas. / In this work, computational ab initio methods based on density functional theory (DFT) are used to simulate on an atomistic level the structural, electronic and magnetic properties of graphene nanostructures. We study pristine graphene nanoflakes (GNFs), and GNFs with intrinsic defects (monovacancy, divacancy, Stone-Wales). We design GNFs with different terminations and shapes and also studied stacked forms -biflakes- in different compositions. We employed two DFT approaches, plain generalized gradient approximation in the Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) level of the theory, and hybrid PBE (PBEh) incorporating a fraction of Hartree-Fock exchange. All calculations were performed with the all-electron code AIMS, including van der Waals corrections. Our GNFs were chosen from three symmetry groups: D2h, D3h and D6h, and with different edges, armchair (AC), zigzag (ZZ) and a mixture of both. Our chosen D6h- hexagonal flakes present an energy gap and no spin, while perfect trigonal zigzag and mixed edges GNFs have an intrinsic spin. This non-zero spin is due to the graphene sublattice imbalance (Liebs imbalance). Defects are common in carbon materials, and have been experimentally and theoretically studied in graphene. Here, the single vacancy in graphene was studied, by cluster and supercell approaches, finding that the vacancy induces a magnetic moment = 2B (Bohr magneton). We show that conflicting results for the magnetic moment coming from theoretical studies come from the self-interaction error present in plain PBE, cured through the use of PBEh. Using the same methodology we studied the interaction of carbon nanostructures with water molecules, focusing on structural properties. Graphite is a hydrophobic material but nanostructuring could favor the interaction with water. We obtained that small water groups are adsorbed on the surface of GNFs and biflakes, however the inclusion of these groups in the internal region of biflakes is highly unfavorable, thus we can expect these stacked nanostructures to be also hydrophobic.

Utilizando a Teoria do Funcional da Densidade junto com o formalismo do pseudopotencial de primeiros princípios, realizamos um estudo sistemático do processo de adsorção da molécula de oxigênio sobre a superfície livre de CdTe (110) nas reconstruções 1x1, 1x2 e 2x1. Este estudo consistiu na determinação das adsorções energeticamente favoráveis e na viabilidade de suas formações através da análise das barreiras de ativação. Nossas análises indicam que apenas uma molécula de oxigênio adsorve sobre a superfície livre em uma reconstrução 1x1 e que não ocorre a quebra da molécula durante o processo de adsorção. As estruturas formadas foram divididas nos regimes de baixas e altas temperaturas. Do estudo das barreiras de ativação verificamos que no regime de baixas temperaturas a molécula de oxigênio liga-se exclusivamente ao Cd da primeira camada através de ligações Cd-O-O ou Cd-O2. A configuração da superfície de CdTe com a molécula adsorvida, se assemelha a configuração do cristal. As estruturas de faixas de energia neste regime apresentam um estado característico de defeito duplo aceitador. Para o regime de altas temperaturas, a molécula adsorve entre o Cd da primeira camada e o Te da segunda camada, quebrando esta ligação Cd-Te e também quebrando a ligação que o Cd da segunda camada realiza com o Te da terceira camada. O complexo formado apresenta ligações Cd-O, Cd-O2, Te-O e O-O e as estruturas de faixas de energia apresentam um gap indireto entre os pontos gama e X de 1.30 eV. / Density Functional Theory with first-principles pseudopotential formalism have been used to a systematic research of the oxygen molecule adsorption on the free surface of CdTe(110) in the 1x1, 1x2 and 2x1 reconstructions. This research was based on the determination of the adsorptions energetically favorables and the viability of each formation through their activation barriers analysis. This analysis indicates that only one oxygen molecule adsorbs over the free surface of the CdTe(110) in the 1x1 reconstruction and that the dissociation of the molecule does not occur during the adsorption process. The structures were divided on the high and low temperature regimes. From the activation barriers study it was verified that on the regime of low temperatures the oxygen molecule bind exclusively to the Cd of the first layer through the Cd-O-O or Cd-O$_2$ bonds. The CdTe surface configuration with the adsorbed molecule looks like a crystal configuration. The energy band structure, on this regime, shows a characteristic state of double acceptor defect. For the high temperature regime the molecule adsorbs between the Cd of the first layer and the Te of second layer, breaking the Cd-Te bond between them and also breaking the bonds that the Cd of the second layer does with the third layer. The complex shows Cd-O, Cd-O2, Te-O and O-O bonds and the energy band structure shows an indirect gap between the gamma and X points of 1.30eV.

A escolha do catalisador no processo de reforma a vapor de etanol é de suma importância na determinação da eficiência de produção de hidrogênio, utilizado em células combustíveis. Superfícies de metais de transição (MT) são normalmente utilizadas como catalisadores, porém resultados experimentais têm apresentado que clusters MT suportados em óxidos são mais eficientes e mais seletivos que seus análogos macroscópicos. Assim, para se compreender o mecanismo de interação de etanol e água, e também do radical hidroxila (simples caracterização da ligação O-H), com clusters mágicos MT13 (MT = Ni, Cu, Pd, Ag, Pt e Au), foram utilizados cálculos ab initio baseados na teoria do funcional da densidade com o funcional proposto por Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) e a aproximação de Tkatchenko-Scheffler para as correções de van der Waals (vdW). Os orbitais de Kohn-Sham foram expandidos através de orbitais numéricos centrados nos átomos (NAOs), que estão implementados no pacote Fritz Haber Institute - ab initio molecular simulations (FHI-aims). Foi encontrado que clusters 3d e 4d apresentam configurações mais compactas, enquanto os sistemas de Pt13 e Au13 adotam geometrias mais abertas. Em particular, Au13 possui uma estrutura planar como configuração mais estável, enquanto o seu primeiro isômero mais energético possui uma estrutura 3D. Para os cálculos de adsorção foram selecionados os clusters de menor energia (LOW), e os clusters icosaédricos (ICO). Observou-se que a hidroxila (OH) não possui sítio preferencial ou dependência geométrica durante adsorção, enquanto água e etanol se ligam preferencialmente através do oxigênio no sítio top. Para o caso do etanol também é possível se encontrar isômeros com energias mais altas, na ordem de kT, que se ligam via hidrogênio do grupo CH e que são prováveis a temperatura ambiente. OH possui um elétron desemparelhado, o que favorece a formação de ligações químicas entre a molécula e MT13, de forma que a energia de adsorção varia entre -4.11 e -2.94 eV, condizente com a transferência de carga do cluster para a molécula. Quando se compara a adsorção de água (etanol) sobre superfícies MT(111) e MT13, nota-se que a energia de adsorção, que segue a ordem 3d > 4d > 5d para MT(111), é maior em relação aos clusters e varia entre -255 meV (-317 meV) < -Ead < -670 meV (-837 meV); porém a magnitude da interação ocorre na ordem 3d > 4d, mas 4d < 5d. A quebra da tendência pode ser explicada através dos efeitos de tamanho, que potencializam a atividade catalítica dos clusters de platina e ouro. É possível se observar ainda que as moléculas interagem mais fortemente com os MT13 dos metais com orbitais d semi-preenchidos, uma vez que esses proporcionam um maior rearranjo da densidade eletrônica. Ocorre uma pequena transferência de carga das moléculas de água e etanol para os clusters, apontando para a fraca interação. Cálculos vibracionais suportam as modificações estruturais e energéticas que ocorrem no sistema, onde νO-H aumenta para a hidroxila e diminui para água e etanol. / The choice of the catalyst in steam reforming of ethanol process has a central hole in determining the hydrogen production efficiency, used in fuel cells. Transition-metal (TM) surfaces are commonly used as catalysts, but experimental results have shown that TM clusters supported on oxides are more efficient and more selective than their macroscopic analogues. Therefore, to understand the mechanism of interaction between ethanol and water, and also the hydroxyl radical (simple characterization for the O-H bonding) with TM13 magic clusters (TM = Ni, Cu, Pd, Ag, Pt and Au), we performed ab initio calculations based on density functional theory within the functional proposed by Perdew-Burke-Ernzerhof (PBE) and Tkatchenko-Scheffler approach for van der Waals corrections (vdW). The Kohn-Sham orbitals were expanded by numerical atom-centered orbitals (NAOs), which are implemented at the Fritz Haber Institute - ab initio molecular simulations package (FHI-AIMS). We found that clusters 3d and 4d prefer more compact configurations, while Pt13 and Au13 systems adopt more open geometries. In particular case of Au13, our lowest energy configuration is a planar structure, while the first high energy isomer is a 3D configuration. For adsorption calculations, we selected the lowest energy configurations (LOW), and the icosahedral clusters (ICO). We observed that the hydroxyl (OH) has no adsorption site preference and also it does not show a geometric trend, while water and ethanol preferentially bind via oxygen at the top site. In the case of ethanol, it is also possible to find isomers with higher energies, which bind via hydrogen from CH group, and they are probable at room temperature. OH has an electron unpaired, which favors the formation of chemical bonds between the molecule and TM13, so that the adsorption energy varies from -4.11 to -2.94 eV, consistent with charge transfer from cluster to the molecule. When we compare the water and ethanol adsorption on surfaces TM(111) and on TM13, we note that the adsorption energy, that follows the order 3d > 4d > 5d for MT(111), is higher compared to the clusters energy. For water (ethanol), this property varies between -255 meV (-317 meV) < -Ead < -670 meV (-837 meV); however, the magnitude of the interaction occurs in the order 3d > 4d, but also 4d < 5d. The breaking of the trend can be explained by size effects, that enhances the catalytic activity of platinum and gold clusters. It is also observed that the stronger interaction between molecules and TM13 with d-orbitais partly occupied, since these metals provide a higher rearrangement of the electron density. There is a small charge transference from water and ethanol molecules to the clusters, pointing to the weak interaction. Vibrational calculations support the structural and energetic changes that occur in the system, where νO-H increases for the hydroxyl and decreases to water and ethanol.

Neste trabalho estudamos o magnetismo no modelo de Hubbard em uma dimensão (1DMH) via Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Dentro desse contexto, abordamos três tópicos: (i) Baseados numa recente proposta de generalização da DFT para magnetismo não colinear, estudamos numericamente por meio de diagonalização exata o comportamento magnético do 1DMH adaptado para o caso não colinear. (ii) Desenvolvemos e aplicamos o formalismo da DFT para magnetismo não colinear no espaço discreto e comparamos os resultados do cálculo do sistema Kohn-Sham (KS) com os obtidos no passo (i) através da diagonalização exata. Aqui testamos uma proposta de aproximação para o funcional de troca e correlação no estado de onda de densidade de spin (SDW). (iii) Construímos e testamos uma aproximação da densidade local (LDA) para o funcional de troca e correlação baseados na solução exata do modelo de Hubbard homogêneo, dada pelo Ansatz de Bethe (BA). Comparamos os resultados do cálculo numérico oriundos da BA-LDA com os provenientes da diagonalização exata, obtendo resultados satisfatórios tanto para o estado SDW como para vários sistemas não homogêneos (impurezas, super-redes, potencial binário e potencial degrau). O bom acordo entre a diagonalização exata e a DFT mostra que esta última pode ser aplicada com sucesso nos casos em que a diagonalização exata é inviável. Paralelamente, adaptamos o formalismo da DFT-SDW, usado no passo (i) para aplicação em cálculos ab initio de estrutura de bandas na aproximação Muffin- Tin. Objetivando, nesse úl¬timo contexto, desenvolver as equações matemáticas necessárias para a implementação numérica desse método, fornecendo assim o formalismo necessário para futuros cálculos ab initio / In this work we study the magnetism of the Hubbard Model in one dimension (1DMH) via the Density Functional Theory (DFT). In this context, we considered three different phys¬ical context topics: (i) based on a recent generalization proposed to DFT for non-collinear magnetism, we performed an exact numerical diagonalization in order to study the magnetic behavior of the 1DMH; (ii) we developed and applied the DFT formalism, using the Kohn-Sham (KS) scheme, for non-collinear magnetism in the discreet space and we compared the results with those obtained in the step (i) through exact diagonalization. In that approach we tested an approximation for exchange and correlation functional in the framework of the spin density wave state (SDW); (iii) finally, we built and tested a local density approximation (LDA) for the functional of exchange and correlation based on the exact solution of the homogeneous Hubbard model, given by the Bethe Ansatz (BA). We compared the results of BA-LDA obtained from the numerical calculation using the exact diagonalization, yielding satisfactory results for the SDW state, as well as several inhomogeneous systems (impurity, super-lattice, binary and step potential). The good agreement between exact diagonalization and DFT shows that this last can be applied with success in the cases the diagonalization exact is not viable. We also adapted the DFT-SDW formalism, used in the step (i), for applications in ab initio calculations of band structure in the Muffin-Tin approximation. Our goal, in this last context, is to develop the necessary mathematical equations for the numerical implementation of this method, thus provinding the necessary formalism for future ab initio calculations.

Ligações de hidrogênio é um tema que tem despertado o interesse da comunidade científica desde o final do século XIX. Sua importância é enorme nos processos ligados à vida, como por exemplo na estabilização das estruturas de DNA e na manutenção da água em seu estado líquido. Várias metodologias teóricas foram desenvolvidas para o estudo de sistemas moleculares e das ligaçõas de hidrogênio, entre elas está o emprego de cálculos de teoria de perturbação de muitos corpos (MBPT). Uma alternativa aos cálculos moleculares com MBPT, que tem crescido em termos de aplicação e confiança, é o emprego da teoria do funcional da densidade (DFT). Nesta tese, calculamos propriedades de sistemas hidrogênio-ligados em clusters e líquidos, usando ambas as metodologias DFT e MBPT. Entre as propriedades consideradas estão constantes rotacionais, momentos de dipolo, energias de ligação, deslocamentos espectroscópicos quando da formação do complexo e espalhamento de luz. Parte desta tese é dedicada a salientar as diferenças entre as propriedades de um cluster otimizado e a estrutura de um líquido gerada por simulação de Monte Carlo. Comparamos os resultados obtidos para o complexo uréia-água nestas duas situações e reforçamos o fato de que líquido e cluster são situações físicas distintas, cujas propriedades também são diferentes. Os sistemas estudados foram HCN, CH IND. 3CN, HC IND. 3N, HC IND. 2NC, HCN...H IND. 2O, CH IND. 3CN...H IND.2O, (CH IND. 3) IND.3CCN...H IND. 2O e (NH IND. 2) IND. 2CO...H IND. 2O. Dos resultados obtidos nesta fase, verificamos que DFT é de fato uma alternativa completamente viável para a obtenção de propriedades de moléculas e biomoléculas hidrogênio-ligadas. / Hydrogen bonding is a topic of interest in the scientific community since the end of the XIX century. Its importance is enormous in processes related to life as, for example, the stabilization of DNA structures and the maintenance of water in its liquid state. Several theoretical methodologies were developed to study molecular systems and hydrogen bonds, among them is the use of many-body perturbation theory (MBPT). An alternative to MBPT, that has gained confidence, is the employment of the density functional theory (DFT). In the present thesis we calculate properties of hydrogen-bonded systems in clusters and liquids using both methodologies, DFT and MBPT. Among the properties considered are rotational constants, dipole moments, biding energies, spectroscopic shifts upon complex formation and light scattering. Part of this thesis is dedicated also to point out the difference between the properties of an optimized cluster and a liquid structure generated by Monte Carlo simulation. We compare the results obtained for the urea-water complex in these two situations and reinforce the fact that liquid and cluster are different physical situations, whose properties are also different. The systems studied were HCN, CH IND.3CN, HC IND.3N, HC IND.2NC, HCN H IND.2O and (NH IND.2)IND.2CO H IND.2O. from the results obtained in this thesis, we verify that DFT is indeed feasible to obtain properties of hydrogen bonded molecules and biomolecules.

Le déploiement constant de nouveaux réseaux de capteurs dans des endroits confinés des turbomachines ou difficilement accessibles nécessite l'apport d'énergie pour alimenter ces capteurs. De nombreuses recherches s'orientent donc sur une alimentation à demeure des capteurs afin de monitorer de nouveaux composants. Une voie possible d'alimentation (à demeure) est l'utilisation de modules thermoélectriques afin de convertir l'énergie thermique issue de la combustion dans les turbines. Parmi les matériaux thermoélectriques utilisables dans ce genre d'applications (au-delà de 700 °C), les siliciures semblent constituer la famille la plus prometteuse. Le sujet de cette thèse est l'étude de siliciures connus pour leurs résistances à l'environnement en température afin de réaliser des modules thermoélectriques pouvant fonctionner à des températures de l'ordre de 700 °C. À cette fin, différents représentants de la famille des siliciures ont été étudiés par calcul ab initio à l'aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Cet outil a permis de calculer leurs propriétés thermoélectriques potentielles et a montré que les deux meilleurs candidats à des applications bon marché étaient les disiliciures de manganèse et de fer. Le calcul a également permis de montrer le caractère métallique de nombreux siliciures ternaires. Les siliciures prometteurs ont été élaborés par frittage et leur vieillissement ainsi que les coefficients de dilatation thermique ont été étudiés. Ces connaissances ont permis de mettre au point des modules thermoélectriques à base de siliciures résistants à 900 °C sous air. Bien que possédant des propriétés thermoélectriques modestes, leur résistance à l'oxydation à haute température permet d'envisager la fabrication de modules thermoélectriques / The constant deployment of new sensors networks in confined areas of turbomachines or difficult to access, requires the input of energy to power these sensors. Many researches are thus focused on a permanent power supply of sensors to monitor new components. One possible way of permanent power supply is the use of thermoelectric modules to convert the thermal energy from combustion into the turbines. Among the thermoelectric materials, silicides seem to be the most promising family for high temperature applications (above 700 °C). The subject of this thesis is the study of silicides known for their high temperature oxidation resistance in order to produce thermoelectric modules that can operate at optimal temperatures around 700 °C. To this end, different representatives of the silicide family have been studied by ab initio calculation using the density functional theory. This tool allowed to calculate their potential thermoelectric properties and showed that the two best candidates for cheap applications were the disilicides of manganese and iron. The calculation also showed the metallic character of many ternary silicides. The promising silicides were developed by sintering method and their aging as well as their coefficients of thermal expansion were studied. This knowledge has made it possible to develop thermoelectric modules based on silicides resistant to 900 °C in air. Although possessing modest thermoelectric properties, their resistance to high temperature oxidation makes it possible to envisage the manufacture of thermoelectric modules

Este trabalho apresenta um estudo aplicando a Teoria do Funcional da Densidade (DFT), utilizando o funcional B3LYP, para estudar a estrutura eletrônica de nanoclusters de platina dopados com Al, Cr e V e suas interações com oxigênio molecular. As análises das populações de Mulliken e de NBO para a interação entre O2 e Pt2, Pt-Cr e Pt-V revelaram que ocorre transferência de carga dos orbitais s e d dos metais para os orbitais p do oxigênio, resultando no preenchimento dos orbitais antiligantes da molécula de oxigênio, provocando a quebra da ligação O--O e formação de ligações hibridizadas Metal - O, com energia de dissociação da ligação O - O em 1,0 eV sobre Pt2. Sobre Pt-Cr e Pt-V, esse valor decresce para 0,56 eV e 0,20 eV, respectivamente. Os estudos da interação entre oxigênio molecular e os clusters Pt3, Pt2Al, Pt2Cr e Pt2V mostram que ocorre adsorção não dissociativa de oxigênio molecular sobre o cluster Pt3 onde observamos uma adsorção segundo o modelo de ponte enquanto que sobre os clusters Pt2Al e Pt2V ocorre adsorção dissociativa de oxigênio molecular. Por outro lado, com o cluster Pt2Cr a adsorção segue o modelo de Pauling, com o oxigênio molecular adsorvido em apenas um sítio do cluster, que foi o átomo Pt, sem a quebra da ligação O--O. Curvas de superfície de energia potencial para a dissociação de oxigênio molecular sobre Pt2Al e Pt2V mostraram um valor de aproximadamente 0,21 eV para a barreira de dissociação da ligação O--O adsorvido sobre o cluster Pt2Al e aproximadamente 0,30 eV para a barreira de dissociação da ligação O--O adsorvido sobre o cluster Pt2V. Os estudos da interação entre oxigênio molecular e os clusters Pt4, Pt3Al, Pt3Cr e Pt3V mostram que ocorre adsorção não dissociativa de oxigênio molecular sobre os clusters Pt4 e Pt3Cr onde foi observado que a adsorção segue o modelo de ponte. Por outro lado, sobre os clusters Pt3Al e Pt3V a adsorção de oxigênio molecular também seguiu o modelo ponte, com dissociação da ligação O - O. Encontramos um valor de 0,46 eV para a barreira de dissociação da ligação O--O adsorvido sobre o cluster Pt3Al e aproximadamente 0,28 eV para a barreira energética de dissociação da ligação O--O adsorvido sobre o cluster Pt3V. Os estudos para interação entre oxigênio molecular e os clusters Pt5, Pt4Al, Pt4Cr e Pt4V revelaram que ocorre adsorção dissociativa de oxigênio molecular sobre os clusters Pt4Al e Pt4V, onde observamos uma adsorção que segue o modelo de ponte enquanto que sobre o cluster Pt5 a adsorção segue o modelo de ponte sem dissociação da ligação O--O. Por outro lado, a adsorção sobre Pt4Cr segue o modelo de Pauling, com o oxigênio molecular adsorvido em apenas um sítio do cluster, sem a quebra da ligação O--O. Curvas de superfície de energia potencial mostraram um valor de aproximadamente 0,62 eV para a barreira de dissociação da ligação O--O adsorvido sobre o cluster Pt4Al e aproximadamente 0,20 eV para a barreira energética de dissociação da ligação O--O adsorvido sobre o cluster Pt4V. / This work presents a study applying the Density Functional Theory (DFT) using the B3LYP functional to study the electronic structure of platinum nanoclusters doped with Al, Cr and V and their interactions with molecular oxygen. The analysis of Mulliken populations and NBO for the interaction between O2 and Pt2, Pt-Cr and Pt-V showed that charge transfer occurs orbital sed metals for the p orbitals of oxygen, resulting in the filling of the antibonding orbitals of the molecule oxygen, causing the cleavage of O-O and bond forming hybridized Metal - O, bond dissociation energy of O - O on Pt2 about 1.0 eV. On Pt-Cr and Pt-V, this value decreases to 0.56 eV and 0.20 eV, respectively. Studies of the interaction between molecular oxygen and the Pt3 clusters, Pt2Al, Pt2Cr and Pt2V show that no dissociative adsorption occurs for molecular oxygen on the cluster Pt3 where we observe a second adsorption model bridge while on clusters Pt2Al and Pt2V dissociative adsorption occurs of molecular oxygen. Moreover, with the cluster Pt2Cr adsorption follows the model of Pauling, with molecular oxygen adsorbed on only one site in the cluster, which was the Pt atom, without the cleavage of the O-O. Curves of potential energy surface for dissociation of molecular oxygen on Pt2Al and Pt2V showed a value of about 0.21 eV for the bond dissociation barrier of the O-O adsorbed on the cluster Pt2Al approximately 0.30 eV and for the barrier The bond dissociation O-O adsorbed on the cluster Pt2V. Studies of the interaction between molecular oxygen and clusters Pt4, Pt3Al, Pt3Cr and Pt3V show that no dissociative adsorption occurs for molecular oxygen on clusters Pt4 and Pt3Cr where it was observed that the adsorption follows the model of the bridge. On the other hand, on clusters Pt3Al and Pt3V adsorption of molecular oxygen also followed the model bridge, with bond dissociation O - O. We found a value of 0.46 eV for the barrier to bond dissociation to O-O adsorbed on the cluster Pt3Al and approximately 0.28 eV for bond dissociation of the O-O adsorbed on the cluster Pt3V. Studies on the interaction between molecular oxygen and clusters Pt5, Pt4Al, Pt4Cr and Pt4V revealed that occurs dissociative adsorption of molecular oxygen on clusters Pt4Al and Pt4V, where we observe an adsorption model that follows the bridge while on the adsorption cluster Pt5 follows the bridge model without the bond dissociation. Moreover, adsorption is modeled on Pt4Cr Pauling with oxygen adsorbed on only one site of the cluster, without the cleavage of the O-O. Curves of potential energy surface showed a value of about 0.62 eV for the bond dissociation barrier of the O-O adsorbed on the cluster Pt4Al and approximately 0.20 eV energy barrier for bond dissociation of the O-O adsorbed on the Pt­4V cluster.

Record high CO2 emissions in the atmosphere and the need to find alternative energy sources to fossil fuels are major global challenges. Conversion of CO2 into useful fuels like methanol and methane can in principle tackle both these environment and energy concerns. One of the routes to convert CO2 into useful fuels is by using supported metal catalyst. Specifically, metal atoms or clusters (few atoms large in size) supported on oxide materials are promising catalysts. Experiments have successfully converted CO2 to products like methanol, using TiO2 supported Cu atoms or clusters. How this catalyst works and how CO2 conversion could be improved is an area of much research. We used a quantum mechanical tool called density functional theory (DFT) to obtain atomic and electronic level insights in the CO2 reduction processes on TiO2 supported metal atoms and clusters. We modeled small Cu clusters on TiO2 surface, which are experimentally synthesizable. Our results show that the interfacial sites in TiO2 supported Cu are able to activate CO2 into a bent configuration that can be further reduced. The Cu dimer was found to be the most reactive for CO2 activation but were unstable catalysts. Following Cu, we also identified other potential metal atoms that can activate CO2. Compared to expensive and rare elements like Pt, Au, and Ir, we found several early and mid transition metals to be potentially active catalysts for CO2 reduction. Because the supported metal atom or cluster is a reactive catalyst, under reaction conditions they tend to undergo aggregation and/or oxidation to form larger less active catalysts. We chose Co, Ni, and Cu group elements to study their catalyst stability under oxidizing reaction conditions. Based on the thermodynamics of Cu oxidation and kinetics of O2 dissociation, we found that TiO2 supported Cu atom or a larger Cu tetramer cluster were the likely species observed in experiments. Our work provides valuable atomic-level insights into improving the CO2 reduction activities and predicts potential catalysts for CO2 reduction to valuable fuels.

Molecular simulation is applied to understanding the behaviour of alkane liquids with the eventual goal of being able to predict the viscosity of an arbitrary alkane mixture from first principles. Such prediction would have numerous scientific and industrial applications, as alkanes are the largest component of fuels, lubricants, and waxes; furthermore, they form the backbones of a myriad of organic compounds. This dissertation details the creation of a potential, a model for how the atoms and molecules in the simulation interact, based on a systematic approximation of the quantum mechanical potential energy surface using machine learning. This approximation has the advantage of producing forces and energies of nearly quantum mechanical accuracy at a tiny fraction of the usual cost. It enables accurate simulation of the large systems and long timescales required for accurate prediction of properties such as the density and viscosity. The approach is developed and tested on methane, the simplest alkane, and investigations are made into potentials for longer, more complex alkanes. The results show that the approach is promising and should be pursued further to create an accurate machine learning potential for the alkanes. It could even be extended to more complex molecular liquids in the future.

Nanoclusters a base de platina vêm sendo amplamente estudados devido à possibilidade de ajustar suas propriedades físicas e químicas através da manipulação de seu tamanho, forma e composição. No entanto, nossa compreensão em nível atomístico dos mecanismos que determinam a estabilidade desses sistemas está longe de ser ideal. Nesta dissertação de mestrado, utilizamos a teoria do funcional da densidade, empregando o método de projeção de onda aumentada com a aproximação do gradiente generalizado, para investigar as propriedades enérgicas, estruturais e eletrônicas de nanoligas PtnMT55-n (MT = Fe, Co, Ni, Cu, Zn). Usando uma energia relativa (energia excedente) para medir a estabilidade de uma nanoliga, sendo obtidas as seguintes composições de menor energia: Pt35Fe20, Pt42Co13, Pt28Ni27, Pt20Cu35 e Pt20Zn35. Com exceção da estrutura do tipo caroço-casca Pt42Co13 icosaedrica (ICO), os demais sistemas possuem ambos os átomos Pt e MT expostos diretamente à região de vácuo, o que é interessante para reações químicas. Das análises estruturais, obtivemos a relação entre tamanho, ordem de ligação e tendência de segregação. Para Zn55 e Pt55, as estruturas de caroço reduzido (RCORE) são preferidas, enquanto para MTs como Fe, Co, Ni e Cu que são menores do que a Pt em 10.6, 11.3, 11.3 e 8,5%, a geometria icosaedrica é favorecida. Portanto, a combinação de Pt com átomos de MT em uma nanoliga (PtMT) favorece a configuração ICO para átomos de MT pequenos (Fe, Co, Ni e Cu), devido a grande liberação de tensão. Já PtnZn55-n que apresentam pequena diferença de tamanho (Zn é menor do que a Pt em apenas 2,1%), consequentemente, a estabilização de estrutura ICO não é possível e uma estrutura RCORE é obtida para todas as composições analisadas. A posição do centro de gravidade dos estados-d ocupados em relação ao nível de Fermi pode ser ajustada em função da composição de Pt. Assim, a energia de adsorção do adsorbato para o nanoligas pode ser alterada, o que afeta a reatividade das nanoligas PtnMT55-n. / Platinum-based nanoclusters have been widely studied due to the possibility to tune their physical and chemical properties through size, shape, and composition. However, our atom-level understanding of the mechanisms that determines the stability of those systems is far from ideal. In this dissertation, we use the density functional theory, using the projected augmented wave method with the generalized gradient approximation, to investigate the energetic, structural, and electronic properties of the PtnTM55-n (TM = Fe, Co, Ni, Cu, Zn) nanoclusters. Using a relative energy (excess energy) to measure the stability of a nanoalloy, we have obtained the lowest energy compositions Pt20Fe35, Pt42Co13, Pt28Ni27, Pt20Cu35, and Pt20Zn35. Except for the core-shell Pt42Co13 icosahedron (ICO) structure, the other systems have both Pt and TM atoms exposed directly to the vacuum region, which is interesting for chemical reactions. From structural analyses we have obtained an interplay of size mismatch, bond-order parameter, and the segregation tendency. For Zn55 and Pt55, the reduced-core (RCORE) structures are preferred, while for small size TMs, like Fe, Co, Ni, and Cu that are smaller than Pt by 10.6, 11.3, 11.3, and 8.5%, the icosahedral geometry is stabilized. The combination of Pt with TM atoms in a nanoalloy (PtTM) favors the ICO configuration for small TM atoms (Fe, Co, Ni, and Cu), because of the larger release of the strain energy. PtnZn55-n presents a small size mismatch (Zn is smaller than Pt by only 2.1%), consequently, the ICO stabilization is not possible and RCORE structure is obtained for all compositions. The position of the center of the gravity of the occupied d -states in relation to the Fermi level can be tuned as a function of the Pt composition. Thus, the adsorption energy of adsorbate to the nanoalloys can be changed, which can affect the reactivity of the PtnTM55-n nanoclusters.