Modificación de grafeno con ácido benzoico y ácido acético mediante simulación DFT y experimental

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Ing. Adrián Alberto Arroyo Escareño

RESUMEN
En este trabajo se estudió la modificación de grafeno con las moléculas de ácido acético y ácido benzoico de manera teórica en el esquema de la teoría del funcional de densidad (DFT) implementada en el código PWscf del paquete “QUANTUM ESPRESSO” y se complementó de manera experimental modificando grafeno con ácido acético y ácido benzoico considerando los fundamentos de química verde utilizando sonoquímica. Mediante DFT se realizaron cálculos de energía total para determinar la estructura de cada una de las moléculas de ácidos. También se realizaron cálculos de energía total para determinar los parámetros estructurales del grafeno. Los resultados obtenidos coinciden con los experimentales y con los reportados en la literatura. En orden de estudiar la adsorción, las hojas de grafeno se modelaron usando celdas periódicas de 4×4. Se utilizó una molécula adsorbida por supercelda. El grafeno se modeló sin defectos (pristino) y con defectos (defecto Stone walles y vacancia). Se calculó la energía de adsorción de cada uno de los sistemas. Las energías de adsorción indican que existe quimisorción entre cada una de las moléculas y el grafeno con vacancia, mientras que en los otros sistemas (pristino y stone walles) existe repulsión con
cada una de las moléculas. También se estudiaron las interacciones débiles de las moléculas con el grafeno, mediante la obtención de las cargas de Bader. Los resultados muestran que existen interacciones débiles tipo van der Waals entre el grafeno pristino y las dos moléculas, de igual forma existen interacciones van der Waals entre el ácido benzoico y el grafeno con defecto Stone Walles y existe repulsión entre el ácido acético y el grafeno con defecto Stone
Walles. La densidad de estados (DOS) obtenida mediante DFT de la lámina de grafeno pristino muestra el punto de Dirac, que es característico para este sistema. También se obtuvieron la DOS para los sistemas de cada uno de los ácidos adsorbidos en el grafeno con vacancia. Los resultados de DOS para el sistema de ácido acético sobre el grafeno con vacancia muestran que no existe simetría entre los estados de “spin up” y “spin down” lo que indica que existe un momento magnético en el sistema. Los resultados de DOS para el sistema de ácido benzoico con vacancia indican simetría en los estados de “spin up” y “spin down”. La densidad parcial de estados (PDOS) también fue obtenida para los sistemas donde hubo quimisorción. Experimentalmente se obtuvo una modificación del grafeno con ácido acético y ácido benzoico. Los resultados de FT-IR muestran grupos funcionales de los ácidos en el material. La relación de la banda ID/IG indican una modificación del grafeno.

ABSTRACT
In this work, the modification of graphene with acetic acid and benzoic acid molecules was studied theoretically in the scheme of density functional theory (DFT) implemented in the PWscf code of the “QUANTUM ESPRESSO” package and it was complemented experimental modifying graphene with acetic acid and benzoic acid considering the fundamentals of green chemistry using ultrasound. Using DFT, total energy calculations were performed to determine the structure of each of the acid molecules. Total energy calculations were also performed to determine the structural parameters of the graphene. The results obtained coincide with the experimental ones and with those reported in the literature. In order to study the adsorption, the graphene sheets were modeled using 4×4 periodic cells. A molecule adsorbed by supercell was used. Graphene was modeled flawlessly (pristine) and flawed (Stone walles defect and vacancy). The adsorption energy of each of the systems was calculated. The adsorption energies indicate that there is chemisorption between each of the molecules and the graphene with vacancy, while in the other systems (pristine and stone walles) there is repulsion with each of the molecules. The weak interactions of the molecules with the graphene were also studied, by obtaining the Bader charges. The results show that there are weak van der Waals interactions between pristine graphene and the two molecules, in the same way there are van der Waals interactions between benzoic acid and graphene with a Stone Walles defect and there is a repulsion between acetic acid and graphene with Stone Walles defect. The state density (DOS) obtained by DFT of the pristine graphene sheet shows the Dirac point, which is characteristic for this system. DOS was also obtained for the systems of each of the acids adsorbed on the graphene with vacancy. DOS results for the acetic acid system on graphene with vacancy show that there is no symmetry between the states of “spin up” and “spin down” indicating that there is a magnetic moment in the system. DOS results for the benzoic acid system with vacancy indicate symmetry in the “spin up” and “spin down” states. The partial density of states (PDOS) was also obtained for the systems where there was chemisorption. Experimentally, a modification of graphene was obtained with acetic acid and benzoic acid. The FT-IR results show functional groups of the acids in the material. The ID / IG band ratio indicates a modification of the graphene.

Modificación de grafeno con ácido benzoico y ácido acético mediante simulación DFT y experimental


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