Defeitos FeN4 em nanoestruturas de carbono:: um estudo comparativo com as moléculas Fe-porfirina e Fe-ftalocianina

• Main Author: Ingrid Carolina Ibagon Pardo
• Other Authors: Helio Chacham
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: Universidade Federal de Minas Gerais 2010
• Online Access: http://hdl.handle.net/1843/IACO-84RTBW

=== In this dissertation we conducted a comparitive study between the Fe-porphyrin and Fe-phthalocyanine molecules and carbon nanostructures with FeN4 defects using first-principles calculations based on the Density Functional Theory. For all systems, we performed calculations varying the total charge. In the case of Fe-porphyrin and Fephthalocyanines we studied the neutral systems and those resulting from the addition or remotion of one electron and, in the case of the carbon nanostructures we added a quantity of charge per carbon atom equivalent to each case studied for the molecules. We observed a tendency of the iron atom to mantain its charge constant when the total charge of the system changes, while the spin magnetic moment of the system changes with the total charge. The systems have spin magnetic moment equal to 2uB when they are neutral, but it increases (decreases) when electrons are removed (added) from (to) the system. Due to the importance to the biochemistry of hemoproteins and to the fabrication of fuel cells, we also studied the binding of the O2 molecule to Fe-porphyrin and to C60 fullerene with the FeN4 defect. We observed that for both molecules the ground state of the complex bound to the O2 molecule is a singlet. It is characterized by the antiferromagnetic coupling between one electron localized in the iron atom and another localized in the O2 molecule, and a sigma bond resulting from the combination of the dz2 orbital from the iron and the antibonding orbital from the O2 molecule. After binding to the fullerene or to the Fe-porphyrin, the O2 molecule can be dissociated by a second interaction with another fullerene or a Fe-porphyrin molecule, respectively. The binding of the O2 molecule to N4H2 defect in the fullerene was also studied. We observed that, in this case, the binding energy of the O2 molecule is 0.9 eV less than that of the FeN4 defect, and that the O2 molecule dissociates after a second interaction with another fullerene, producing two water molecules with the hydrogen atoms from the N4H2 defects. === Neste dissertação realizamos um estudo comparativo entre as moléculas Fe-porfirina e Fe-ftalocianina e nanoestruturas de carbono com defeitos FeN4 através de cálculos de primeiros princípios, baseados na Teoria do Funcional da Densidade. Para todos os sistemas, fizemos cálculos variando a carga total. No caso da Fe-por firina e da Fe-ftalocianina estudamos os sistemas neutros e os resultantes da adição ou remoção de um elétron e, no caso das nanoestruturas de carbono, colocamos uma quantidade de carga por átomo de carbono equivalente a cada caso estudado para as moléculas. Observamos que existe uma tendência do ferro a manter sua carga constante quando a carga total do sistema muda, enquanto o momento magnético de spin nos sistemas varia com a carga total. Os sistemas têm momento magnético de spin igual a 2muB quado estão neutros, mas esse momento aumenta (diminui) quando elétrons são retirados (adicionados) do (ao) sistema. Devido à importância para a bioquímica de hemoproteínas e para a fabrição de células de combustível, estudamos também a ligação da molécula de O2 á Fe-porfirina e ao fulereno C60 com defeito FeN4. Observamos que para as duas moléculas o estado fundamental do complexo ligado à molécula de O2 é um singleto. Este se caracteriza pelo acoplamento antiferromagnético entre um elétron localizado no ferro e outro localizado na molécula de O2, e por uma ligação sigma resultante da combinação dos orbitais dz2 do ferro o pi anti-ligante da molécula de O2. Após a ligação ao fulereno ou à Fe-porfirina, a molécula de O2 pode ser dissociada através de uma segunda interação com uma outra molécula de fulereno ou Fe-porfirina, respectivamente. A ligação da molécula de O2 a um defeito tipo N4H2 no fulereno também foi estudada. Observamos que, neste caso, a energia de ligacão da molécula de O2 é 0.9 eV menor que a encontrada no caso do defeito FeN4 e que a molécula de O2 é dissociada após uma segunda interação com outro fulereno, formando duas moléculas de água com os hidrogênios retirados dos defeitos N4H2.