Estudio DFT de la adsorcion de Li sobre GDY pristino

JIMÉNEZ, M. J.; JUAN, J.; BECHTHOLD, P.; NAGEL, O.; GONZÁLEZ, E. A.

Bahía Blanca

Congreso; 108 Reunión de la Asociación Física Argentina; 2023

Departamento de Física. UNS.

Las serias consecuencias del calentamiento global impulsan al desarrollo y la búsqueda mundial de fuentes de energía sostenibles que reduzcan la dependencia de combustibles fósiles y la emisión de gases de efecto invernadero. En conjunto al constante desarrollo de dispositivos electrónicos, se requieren circuitos cada vez más pequeños y para almacenar la energía proveniente de fuentes de energías renovables intermitentes o no, se demandan capacidades significativas de almacenamiento. Por esto, es necesario proveer energía para el correcto funcionamiento de estos dispositivos. El estudio y el desarrollo tecnológico de materiales electrónicos portables convierten a las baterías de ion litio (LIB) en esenciales por su alta densidad de energía comparada con otras baterías recargables, y son las que mejor se adaptan a estas dos características [1].Los materiales con baja dimensionalidad, en particular, los materiales 2D son ampliamente estudiados teórica y experimentalmente por sus potenciales aplicaciones en catálisis, espintrónica, fotónica y almacenamiento de energía, entre otras aplicaciones. Los basados en C son constantemente estudiados por sus tres clases de estados hibridizados sp3, sp2 and sp que pueden dar lugar a numerosos alótropos en la naturaleza por sus potenciales aplicaciones tecnológicas,lo que constituye un desafío en el campo de la ciencia de los materiales [2,3]. Graphdiyne (GDY) es un alótropo del C perteneciente a la familia de los grafenos. El modelo estructural se propuso en 1997 [4] y está compuesto por átomos de C hibridizados con enlaces sp2-sp por enlaces conjugados -C≡C-C≡C-[5]. El primero en sintetizar GDY fue Li et al. con una reacción de acoplamiento cruzado en la superficie del cobre en 2010 [3].En este trabajo, estudiamos el efecto del dopaje de átomos de Li en las propiedades electrónicas y estructurales de GDY basados en la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) mediante el código VASP [6–8]. La celda unidad de GDY se modeló con una supercelda conteniendo 18 átomos de C con condiciones periódicas de contorno para simular el plano GDY. Primero, se estudia la adsorsión de un átomo de Li sobre el plano GDY. Los sitios de adsorsión son: en el centro de los hexagonos y en el centro de los poros triangulares. Luego uno a uno se suman en las esquinas de los poros para formar un triángulo y posteriormente un tetraedro. Estas configuraciones se nominan Li-01 a 10.Los resultados estructurales y energéticos indican que, de todas las estructuras optimizadas indican que el sitio de adsorsión más favorable es en la esquina de un poro triangular, cercano a los hexagonos: la estructura Li-03. Esta estructura presenta mejores valores de energias de asdorsión y estabilización estructural. Los átomos de Li ocupan los estados disponibles al nivel de Fermi, dentro del band gap de GDY. Para valores de cubrimiento superiores al 30%, se compromete la estabilidad estructural de GDY para la adsorción, indicando bajas energías de adsorción y valores desfavorables de energías por átomo. [1]E. Stura, C. Nicolini, New nanomaterials for light weight lithium batteries, Anal. Chim. Acta. 568 (2006) 57–64. https://doi.org/10.1016/j.aca.2005.11.025.[2]H. Bao, L. Wang, C. Li, J. Luo, Structural Characterization and Identification of Graphdiyne and Graphdiyne-Based Materials, ACS Appl. Mater. Interfaces. 11 (2019) 2717–2729. https://doi.org/10.1021/acsami.8b05051.[3]G. Li, Y. Li, H. Liu, Y. Guo, Y. Li, D. Zhu, Architecture of graphdiyne nanoscale films, Chem. Commun. 46 (2010) 3256–3258. https://doi.org/10.1039/b922733d.[4]M.M. Haley, S.C. Brand, J.J. Pak, Carbon Networks Based on Dehydrobenzoannulenes: Synthesis of Graphdiyne Substructures, Angew. Chemie (International Ed. English). 36 (1997) 836–838. https://doi.org/10.1002/anie.199708361.[5]H. Zhang, Y. Xia, H. Bu, X. Wang, M. Zhang, Y. Luo, M. Zhao, Graphdiyne: A promising anode material for lithium ion batteries with high capacity and rate capability, J. Appl. Phys. 113 (2013) 1–5. https://doi.org/10.1063/1.4789635.[6]G. Kresse, J. Hafner, Ab initio molecular dynamics for liquid metals, Phys. Rev. B. 47 (1993) 558–561. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.47.558.[7]G. Kresse, J. Hafner, Ab initio molecular dynamics for open-shell transition metals, Phys. Rev. B. 48 (1993) 13115–13118. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.48.13115.[8]G. Kresse, J. Furthmüller, J. Hafner, Ab initio molecular-dynamics simulation of the liquid-metal–amorphous-semiconductor transition in germanium, Phys. Rev. B. 49 (1994) 14251–14269. https://doi.org/10.1016/0927-0256(96)00008-0.