Estudo, via DFT, de novos alótropos de Carbono bidimensionais com potencial aplicação em baterias de íons de Lítio

Abstract

O desenvolvimento de novos alótropos de carbono bidimensionais (2D) tem se mostrado uma estratégia promissora para aplicações em eletrônica, fotônica e armazenamento de energia. Nesta dissertação, propõem-se e caracterizam-se teoricamente dois novos materiais 2D de carbono: TODD-Graphene (TODD-G) e PHOTH-Graphene (PHOTH-G). Utilizando cálculos baseados na teoria do funcional da densidade (DFT) e simulações de dinâmica molecular ab initio (AIMD), investigam-se suas propriedades estruturais, eletrônicas, ópticas e mecânicas. O alótropo TODD-G, composto por anéis de 3, 8, 10 e 12 membros, apresenta uma estrutura porosa, comportamento metálico anisotrópico e elevada estabilidade térmica, permanecendo estável até 1800 K. Suas propriedades ópticas indicam forte absorção no visível e ultravioleta, e sua condutividade eletrônica supera a do grafeno. Na aplicação como material de ânodo em baterias de íons de lítio, o TODD-G se destaca pela boa energia de adsorção (–0.64 eV) e por apresentar uma barreira média de difusão de 0.85 eV, com múltiplos sítios de adsorção favoráveis. Já o PHOTH-G, constituído por anéis de 4 a 8 átomos de carbono, exibe caráter semicondutor de gap estreito, estabilidade dinâmica confirmada por dispersões fonônicas livres de modos imaginários e atividade óptica confinada à região visível. Sua estrutura levemente anisotrópica contribui para propriedades mecânicas diferenciadas, com módulo de Young de até 167 GPa. Os resultados obtidos para TODD-G e PHOTH-G fornecem subsídios importantes para o design de novos materiais 2D porosos com funcionalidades específicas, destacando o potencial do TODD-G para armazenamento eletroquímico e do PHOTH-G para aplicações optoeletrônicas.