Estudio mediante DFT de la adsorción de CF3CN sobre superficies de nitruro de aluminio provistas de vacancias

GONZÁLEZ FÁ, ALEJANDRO; MARCHETTI, JORGE MARIO; LÓPEZ CORRAL, IGNACIO

Río Cuarto

Encuentro; XXI Encuentro de Superficies y Materiales Nanoestructurados NANO 2022; 2022

UNRC

En la actualidad, una gran parte de los equipos de alto voltaje enoperación utilizan hexafluoruro de azufre como dieléctrico, un gas reconocido comoagente intensificador del efecto invernadero. En consecuencia, en los últimosaños se ha reemplazado progresivamente con heptafluorobutironitrilo (C4F7N),un gas más amigable con el ambiente. Sin embargo, bajo procesos anómalos dedescarga parcial en estos equipos, el C4F7N se descomponegenerando varios gases tóxicos, entre ellos el trifluoroacetonitrilo (CF3CN),por lo que se han estudiado distintos materiales como potenciales adsorbentesde estos gases1. Los nanomateriales basados en monocapas laminarestipo grafeno, en particular las nanosheetsformadas por nitruro de aluminio (AlNNS), han demostrado poseer excelentescapacidades para interaccionar eficazmente con adsorbatos gaseosos,especialmente cuando se introducen vacancias2.En el presente trabajo se evaluó por medio de la Teoría delFuncional de la Densidad (DFT) la capacidad de AlNNS como adsorbente de CF3CN,tanto prístino como en presencia de vacancias de Al (vAl-AlNNS) o de N(vN-AlNNS). Para ello se aplicó el método GGA-PBE con inclusión de fuerzas dedispersión, haciendo uso del código VASP. Una vez finalizada la optimizacióngeométrica, se evaluaron parámetros como las energías de adsorción (Eads),valores de población de solapamiento (OP) correspondientes a los enlacesinteractuantes y variaciones en el ancho de banda prohibida (gap), obtenidas apartir de las curvas de densidad de estado (DOS).Los valores de Eads para los sistemas CF3CN/AlNNSestudiados resultaron cercanos a -0,40 eV, compatibles conprocesos de fisisorción. La generación de una vacancia de Al dio como resultadouna fuerte interacción (Eads » -3,12 eV), la cual introdujouna notable deformación de la superficie alrededor del sitio de adsorción, conun debilitamiento de hasta un 30% de los enlaces Al—N más cercanos. Al mismo tiempo, los enlaces de la molécula de CF3CNalcanzaron disminuciones de hasta el 64% en sus valores de OP. Por otro lado,las superficies provistas de vacancias de N proporcionaron dos geometrías CF3CN/vN-AlNNSestables con valores de Eads de -2,00 y -2,20 eV, acordes a procesosde quimisorción. En una de ellas se observa la ruptura de un enlace C—F en la molécula y la formación de un nuevo enlace Al—F, lo cual provoca elongaciones y debilitamientos en los enlaces tantode la molécula (hasta 40%)  como de lasuperficie (hasta 13%). La otra geometría CF3CN/vN-AlNNS condujo a unafuerte interacción Al—N con el átomo de N del gas, produciendodebilitamientos y estiramientos en los enlaces muy similares a los anteriores. Finalmente,en ningún sistema se registraron cambios significativos en el gap una vezproducida la adsorción del gas. Los resultados obtenidos sugieren que lassuperficies de AlNNS provistas de vacancias pueden interaccionar fuertementecon las moléculas de CF3CN y podrían actuar eficazmente comoadsorbentes de este gas.