Cálculos electrónicos de la disociación del hidrógeno en nanopartículas de cobalto

Abstract

En este TFG se expondrán algunos resultados sobre la disociación del Hidrógeno en nanopartículas de Cobalto, concretamente para nanopartículas de 6 átomos de Cobalto, obtenidos mediante simulaciones basadas en la teoría del funcional de la densidad (DFT). El objetivo es la posible utilización de las nanopartículas como dopante en materiales para poder almacenar Hidrógeno y utilizarlo como combustible en pilas y baterías eléctricas de bajo impacto ambiental. En el primer capitulo se da un introducción a la nanociencia y se exponen los nuevos efectos que se observan en la nanoescala y por que se dan. A escala nanométrica hay una fuerte dependencia de las propiedades de un material con el número de átomos en elmaterial, estas propiedades se deben a la mayor proporción superficie-volumen en estos materiales, lo que los hace mas reactivos ymuy útiles como catalizadores. Además en esta escala la longitud de onda las excitaciones presentes en el material es del orden del tamaño del material en alguna de sus dimensiones (láminas, nanohilos, puntos cuánticos), lo que da lugar a la parición de efectos cuánticos muy interesantes en aplicaciones tecnológicas. En el segundo capítulo se realiza una introducción teórica a la teoría del funcional de la densidad, una teoría desarrollada por Pierre Hohenberg, Walter Kohn y Lu Sham en la década de 1960. Esta teoría es actualmente utilizada en la investigación de las propiedades y la estructura de nuevos materiales. Al igual que en la teoría de Hartree-Fock, DFT consite en un conjunto de ecuaciones que se resuelven de manera autoconsistente obteniendo el estado fundamental de un sistema, en estas ecuaciones están incluidos los efectos de intercambio y de correlación, a diferencia de las técnicas utilizadas hasta esa fecha que no eran capaces de dar cuenta de estos efectos. En el tercer capítulo se expondrán los resultados obtenidos. Las simulaciones fueron realizadas en el cluster de procesadores LARISA de la UVa mediante el software DACAPO que utiliza el grupo de física de nanoestructuras de la UVa. El análisis consistió en obtener la estructura de las nanopartículas de Co6, que resulto ser un octaedro regular, después se realizaron diversas simulaciones con un número creciente de moléculas de hidrógeno, tanto en estado disociado como molecular y se obtuvieron las energías de adsorción del Hidrógeno hasta conseguir la saturación de la estructura. Por ultimo se compara el Cobalto como catalizador en la disociación del Hidrógeno con otros elementos estudiados por el grupo de física nanoestructuras de la Uva. Finalmente se adjunta una tabla con las diversas estructuras calculadas, la energía de sus estados fundamentales y las energías de adsorción de Hidrógeno en sus diversas formas para cada una de ellas.