Computational study of water adsorption on iron surfaces and metallic alloys

Abstract

Uma das alternativas para reduzir a concentração de gases de efeito estufa (GEE) na atmosfera consiste na substituição dos combustíveis fósseis por fontes de energia limpas e renováveis, como o hidrogênio verde. Entretanto, o método empregado para sua produção, a eletrólise da água, ainda não é amplamente utilizado no mercado devido ao seu elevado custo, uma vez que esse processo requer eletrocatalisadores baseados em metais nobres, escassos na natureza, como irídio e platina. O presente estudo adota uma abordagem computacional para investigar a etapa de adsorção da água em ligas de ferro, ferro-cobalto e ferro-níquel. Foram realizadas otimização geométrica, dinâmica molecular e cálculos de propriedades eletrônicas com base na Teoria do Funcional da Densidade (DFT). Os resultados computacionais indicam que a energia de Gibbs de adsorção da água é mais espontânea na seguinte ordem dos planos cristalográficos: (110) > (100) > (111). A adição de um átomo de níquel à superfície metálica aumentou a densidade parcial de estados dos átomos de ferro adjacentes, favorecendo a adsorção da molécula de água, uma vez que foi na posição entre o átomo de ferro e o átomo de níquel que se observou maior disponibilidade de estados eletrônicos para a interação. Adicionalmente, a adsorção da molécula de água na superfície metálica promoveu a diminuição da densidade parcial de estados do átomo de ferro. Esse comportamento foi observado tanto para o ferro puro quanto para as ligas metálicas, quando a água interage com o sítio ativo mais favorável na superfície, indicando que o átomo de ferro doa densidade de estados à molécula de água durante o processo de adsorção.