Investigação teórico-experimental do efeito da dopagem nas propriedades estruturais e eletrônicas do óxido de índio

• Ano de defesa: 2021
• Autor(a) principal: Lemos, Samantha Custódio Silva
• Orientador(a): Lima, Renata Cristina de , Andres, Juan
• Banca de defesa: Barrera, Miguel Angel San-Miguel, Gouveia, Amanda Fernandes, Marques, Ana Paula de Azevedo, Lopes, Osmando Ferreira
• Tipo de documento: Tese
• Tipo de acesso: Acesso aberto
• Idioma: por
• Instituição de defesa: Universidade Federal de Uberlândia
• Programa de Pós-Graduação: Programa de Pós-graduação em Química
• País: Brasil
• Palavras-chave em Português: In2O3; Método hidrotérmico assistido por micro-ondas; Microwave assisted hydrothermal method; Dopagem; Doping; Lantânio; Lanthanum; Paládio; Palladium; Teoria do Funcional de Densidade; Density Functional Theory; Morfologia; Morphology; Eletrocatálise; Electrocatalysis; Hidrogenação catalítica; Catalytic hydrogenation
• Área do conhecimento CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::QUIMICA INORGANICA; CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::QUIMICA::FISICO-QUIMICA::QUIMICA DO ESTADO CONDENSADO
• Link de acesso: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/31661; http://doi.org/10.14393/ufu.te.2021.6008

O óxido de índio (In2O3) é um importante semicondutor de banda larga, apresentando condutividade do tipo n, e características como alta estabilidade e transparência, requeridas em diversas aplicações. Sabe-se que o processo de dopagem constitui uma estratégia sintética eficaz para controle de propriedades como energia de gap, morfologia e densidade de portadores de carga. No presente trabalho investigou-se a influência da inserção dos cátions lantânio (La3+) e paládio (Pd2+) nas propriedades estruturais e eletrônicas do In2O3, elucidando como estas dopagens afetam a atividade e as diferentes aplicações catalíticas do óxido em questão. Estes materiais foram sintetizados por meio de uma rota química fácil e rápida, baseada no método hidrotérmico assistido por micro-ondas, seguida por rápida calcinação. Simulações computacionais, baseadas em cálculos periódicos de Teoria do Funcional da Densidade, usando o programa CRYSTAL17, foram realizadas para investigar a geometria, a estrutura eletrônica do bulk e das superfícies expostas na morfologia usando o funcional híbrido de troca-correlação B3LYP. Além disso, as morfologias teóricas dos polimorfos cúbico (c-In2O3) e romboédrico (r-In2O3) foram obtidos por valores das energias de superfície empregando o método de construção Wulff. Os resultados demonstraram que o processo de dopagem com La3+ modificou o tamanho e a morfologia das nanoestruturas In2O3 e estabilizou a fase romboédrica r-In2O3 em relação à fase cúbica c-In2O3, considerada mais estável. A partir dos resultados teóricos foi possível explicar a estabilização relativa da fase romboédrica em relação à fase cúbica, com base na análise das alterações geométricas e redistribuição eletrônica induzida pelo processo de dopagem com íons La3+. A atividade catalítica dos materiais sintetizados foi avaliada para a reação de evolução de O2. O In2O3 dopado com La3+ apresentou atividade eletrocatalítica superior, com um potencial de início menor que o In2O3 não dopado, o que pode estar associado ao aumento da densidade de elétrons causada pela inserção do dopante La3+ na estrutura do In2O3. Os materiais de In2O3 dopados com íons Pd2+ apresentaram apenas a estrutura c-In2O3, sem formação de fases secundárias. Esses materiais estão constituídos por nanopartículas de formato arredondado com espécies de Pd2+ altamente dispersas na superfície, o que se mostrou essencial para o alto desempenho catalítico. A aplicação destes materiais de Pd-In2O3 como catalisadores para a hidrogenação de amidas levou ao desenvolvimento de um novo protocolo catalítico que permite a hidrogenação seletiva desse substrato dando lugar a suas aminas e álcoois correspondentes, sob condições livres de aditivos. Para complementar e racionalizar os resultados experimentais, a dopagem com Pd2+ na superfície (111) do In2O3 foi investigada e a adsorção e dissociação de H2 foi avaliada empregando cálculos de primeiros princípios. O presente estudo fornece uma estratégia versátil para a obtenção de nanoestruturas de In2O3 dopadas para aplicações práticas.