RELATÓRIO PARCIAL científico PIBIC kayron lopes corrigido

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RELATÓRIO DE ATIVIDADES – PROGRAMAS DE INICIAÇÃO CIENTÍFICA DA UFPI 
 
Relatório. Iniciação Científica UFPI. 1/6 
 
PARTE I – IDENTIFICAÇÃO 
 
Tipo do Relatório: ( x ) Parcial ( ) Final 
Programa: 
( ) 
( ) 
( x ) 
( ) 
PIBIC/CNPq/UFPI 
PIBIC-Af/CNPq/UFPI 
ICV/UFPI 
PIBIC-EM/CNPq/UFPI 
Título do Plano de Trabalho: Estudo de Nanotubos de Dióxido de Titânio Dopados com Nitrogênio 
Nome do Orientador(a): André Alves Lino 
Nome do Orientando(a): Kayron Lopes dos Santos 
 
 
PARTE II – RELATO TÉCNICO-CIENTÍFICO 
 
1. Introdução 
 
O presente relatório tem como objetivo mostrar os principais resultados obtidos durante o tempo de 
pesquisa que foi iniciada em agosto de 2020. Serão expostos aqui o andamento do trabalho e como vem se 
desenvolvendo a pesquisa. 
O dióxido de titânio (TiO2) é um material que vem sendo estudado pois apresenta várias possibilidades de 
aplicações, como a catálise, sensor químico de gás, fotocatálise, células solares, dispositivos eletrônicos. 
Umas das suas principais propriedades é a sua atividade fotocatalítica. 
Dentre os polimorfos do TiO2, as formas mais encontradas na natureza e obtidas em sínteses 
convencionais são: anatase (tetragonal), rutilo (tetragonal) e brookita (ortorrômbico).1 
Para realização deste trabalho é necessário a aplicação de cálculos de primeiros princípios que são 
baseados na Teoria do Funcional da Densidade (DFT) e assim estudar o (TiO2). A aproximação da teoria do 
funcional da densidade tem vantagem devido a redução do tempo computacional pois simplifica os cálculos 
utilizados enquanto os pseudopotencias substituem o potencial real. 
O codigo computacional SIESTA ( Spanish Iniciative for Eletronic Simulations With Thousand Of Atoms) é 
auto-consistente , ou seja utilizando-se uma base inicial obtém-se o potencial efetivo e a densidade de carga, 
que será utilizado na edificação de uma nova base, empregada nos cálculos dos potenciais e densidades 
seguintes, até que se obtenha uma convergência ou divergência dentro de uma certa tolerância2 
 
2. Revisão de Literatura 
 
O TiO2 é pertencente à família dos óxidos de metais de transição. Existem três polimorfos comumente 
conhecidos de TiO2 são eles: anatase (tetragonal), bronquita ( ortorrômbica, e rutilo (tetragonal) como mostra 
a Figura1.2 
Figura 1- Células unitárias Características do TiO2 (a) rutilo; (b)anatase; (c)broquita 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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TiO2 rutilo tem estrutura tetragonal e contém 6 átomos por célula unitária. O octaedro TiO6 apresenta uma 
inclinação ligeiramente distorcida.2 
Anatase TiO2 também apresenta estrutura tetragonal, mas a distorção do octaedro de TiO6 é ligeiramente 
maior para a fase anatase, A estrutura anatase é preferida sobre outros polimorfos para aplicações em células 
solares, devido à maior mobilidade de elétrons, baixa constante dielétrica e menor densidade. A elevada 
fotorreatividade deve-se ao nível de Fermi mais alto, capacidade de adsorção de oxigênio e maior grau de 
hidroxilação na fase anatase.2 
 Broquita TiO2 pertence ao grupo ortorrômbico. Sua célula unitária é composta por 8 unidades de TiO2. A 
estrutura broquita é constituída de um octaedro distorcido com um íon de titânio no centro, e íons de oxigênio 
em cada um dos seis vértices.2 
 A Teoria do Funcional da Densidade e o método mais usado nos dias de hoje para cálculos de estrutura 
eletrônica, onde são baseados na mecânica quântica utilizando da equação de Schroedinger. No entanto 
possui solução exata somente para sistemas muito simples, como o átomo de hidrogênio, enquanto que para 
sistemas mais complicados utilizam-se de aproximações para sua resolução (LINO, André Alves, 2013). 
O Código computacional SIESTA é utilizado realizar cálculos de estruturas eletrônicas e simulações para 
dinâmica moleculares de sólidos e moléculas. Para encontrar-se o estado fundamental do sistema é 
necessário a obtenção da energia mínima do sistema. Em sistema com vários átomos, utiliza-se do método 
da diagonalização da matriz halmiltoniana completa (MxM) obtendo-se todos os autovalores. Existe outro 
método como o de Kohn-Sham que é um procedimento auto-consistente.4 
O pseudopotencial é uma aproximação que simplifica o cálculo de estruturas eletrônicas, uma vez que 
esse substitui o potencial real, gerado pelo caroço, sobre os elétrons afastados do núcleo por um 
pseudopotencial. (SANTOS,Adevailton;2000). 
 
3. Metodologia 
 
Trata-se de um estudo descritivo com caráter quantitativo acerca do (TiO2) dopado com nitrogênio, acerca 
da sua relevância e sua utilização no ramo da física, estudando suas propriedades eletrônicas através da 
teoria do funcional da densidade (DFT) para realizar cálculos de propriedades estruturais de nanoestruturas 
por primeiros princípios. 
 
4. Resultados e discussão 
 
Nesta secção será apresentado os resultados para o primeiro momento da pesquisa, que consiste no 
entendimento dos conteúdos abordados inicialmente, estudo da teoria do funcional da densidade, 
entendimento do método computacional SIESTA , para que assim seja realizado as análises das estruturas 
morfológicas do (TiO2),propriedades eletrônicas desse material, como as bandas de energias, antes, sendo 
realizado os cálculos com nanotubos de (TiO2 puro) e depois de alterando sua estrutura morfológica dopando 
o material com nitrogênio, substituindo átomos específicos, e assim analisando e comparando as 
propriedades, antes da dopagem e depois da dopagem. 
 
 
 
 
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Figura 2: TiO2 puro. Figura 3: Estrutura de banda TiO2 puro. 
 
A Figura 2 mostra a estrutura morfológica do nanotubo de TiO2 puro, e a Figura 3 é a estrutura de banda 
calculada a partir do código SIESTA, onde estes será utilizados posteriormente para comparação da 
propriedades adquiridas quando se faz as dopagens com nitrogênio. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 5:TiO2, com N na parte superior exter- Figura 6: Banda de energiaTiO2, com N 
na. na parte superior externa. 
 
Na Figura 5 e 6 , mostra estrutura morfológica do nanotubo de TiO2 dopado com nitrogênio na parte 
superior externa e consecutivamente a estrutura de banda para a mesma, podendo assim verificar os defeitos 
causados na estrutura de banda, verificando inicialmente uma diminuição do GAP em relação ao TiO2 puro. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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Figura 7:TiO2, com N na parte do meio. Figura 8: estrutura de banda de energiaTiO2, 
 com N na parte do meio, spin UP,spin DOWN. 
Na Figura7 e Figura 8 tem-se a estrutura morfológica de TiO2 dopado com nitrogênio na parte interna, e 
as estruturas de bandas quando se considera os spins, UP e Down, podem ser verificado os defeitos causados 
nas estruturas de bandas analisandos os GAPS dos mesmos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 9:TiO2, com N na parte superior exter- Figura 10: estrutura de banda de energiaTiO2 
nacom N na parte do meio, spin UP,spin DOWN. 
 Sob a aplicação de um campo elétrico 
 
Comparando as figuras 7 e 8 com as figuras 9 e 10, pode observar que quando se tem a substituição de 
um átomo de oxigênio por um átomo de nitrogênio, na estrutura morfológica, tem-se uma grande variação na 
estrutura de banda, quando se considera os spins, e ainda sob a aplicação de um campo elétrico, verificando 
a diminuição do GAP. 
 
5. Conclusão 
 
Com este breve estudo conclui-se a primeira etapa da pesquisa, foi realizado primeiramente estudos de 
alguns conteúdos de estado sólido bem como a leitura do artigo cujo o título é: Anatase(001) 3 ML 
Nanotubes, The First TiO2 Nanotube With Negative Strain Energies: A DFT Prediction ;5 que fala sobre 
umas das formas do dióxido de titânio (anatase), sua principal propriedade que é a atividade catalítica, bem 
como a relação de sua assimetria relacionada a energia de deformação, onde o principal objetivo é investigar 
os nanotubos de TiO2 criados de filmes. Posteriormente foi estudado sobre teoria do funcional da densidade 
(DFT) para que seja realizados os cálculos das propriedades eletrônicas e estruturais por primeiros princípios 
, conhecimento sobre a estrutura morfológica do TiO2, obter o primeiro contato com o código SIESTA que é 
necessário para cálculo de estruturas eletrônicas e simulações para dinâmica moleculares de sólidos e 
moléculas, bem como aprender a colocar as simulações para rodar e obtenção de dados, entendimento sobre 
os pseudopotenciais uma vez que esse substitui o potencial real. Todas estas etapas foram concluídas 
podendo assim galgar para a próxima etapa , aprofundando os estudos teóricos e computacionais e assim 
fazendo uma análise mais quantitativa das pesquisa. 
 
 
 
6. Referências 
 
 
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1. ALBUQUERQUE, Anderson R.; SANTOS, Iêda M. G.; SAMBRANO, Júlio R. Propriedades 
estruturais e eletrônicas de nanofilmes de TiO2 anatase: cálculos B3LYP-D* em sistemas 
periódicos bidimensionais. Quím. Nova vol.37 no.8 São Paulo 2014. 
2. SANTOS, Adevailton Bernardo. Simulação computacional das propriedades eletrônicas 
e estruturais da hidroxiapatita. Universidade Federal de Uberlândia, Monografia. Dep. De 
Ciências físicas, Uberlândia, 2000. 
3. LINO, André Alves. Propriedades Eletrônicas e Estruturais de Nanoestruturas de 
Dióxido de Titânio por Primeiros Princípios. Universidade Federal de Minas Gerais. Tese 
Doutorado em física. Dep. De Ciências físicas, Belo Horizonte MG, 2013. 
4. NOGUEIRA, R. F. P.; JARDIM, W. F.; A fotocatálise heterogênea e a sua aplicação 
ambiental. Química Nova. 21, 69-72, 1998 
5. FERRARI, Anna Maria; SZIEBERTH, Dénes; WILSON, Claudio M. Zicovich. Rev. The 
Journal of Physical Chemistry Latters. Anatase(001) 3 ML Nanotubes, The First TiO2 
Nanotube With Negative Strain Energies: A DFT Prediction . DOI: 10.1021/jz101184f |J. 
Phys. Chem. Lett. 2010, 1, 2854–2857. 
 
 
 
PARTE III – RELATO DE DEMAIS ATIVIDADES 
 
Descrição 
(Seminários, Congressos, Artigos publicados, e outros) 
Local 
(Realizado ou publicado) 
Período 
(Data realizado ou publicado) 
(inserir uma atividade a cada linha) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Da formatação do documento: 
 
 
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A CPESI/PROPESQI/UFPI define que os relatórios de ATIVIDADES DOS PROGRAMAS DE INICIAÇÃO 
CIENTÍFICA devem seguir, necessariamente, as seguintes instruções. 
 
a) O relatório deve conter três partes: PARTE I – IDENTIFICAÇÃO; PARTE II – RELATO TÉCNICO-
CIENTÍFICO, e PARTE III – RELATO DE DEMAIS ATIVIDADES. 
b) A PARTE II, deve conter seis seções numeradas com os títulos: 1. Introdução; 2. Revisão de Literatura; 
3. Metodologia; 4. Resultados e discussão; 5. Conclusão; 6. Referências; com alinhamento à esquerda. 
b.1. As subseções devem também ser numeradas conforme o número da seção da PARTE II. 
b.2. Na seção de Referências, as obras da literatura citadas, devem seguir as normas da ABNT 
NBR 10520 e NBR 6023. 
b.3. Tamanho da fonte – é 10, e o alinhamento justificado em todo o documento. 
b.4. Fonte – Tipo Arial em todo o documento; 
b.5. Todas as margens – 2 cm cada; 
b.6. Recuo de parágrafo – primeira linha à 1,25 cm; 
b.7. Paginação – ativado Controle de linhas órfãos/viúva; 
b.8. Espaçamento – 0pt antes e 0pt depois; 
b.9. Espaçamento em entrelinhas – simples; 
b.10. Número de páginas – arábico, no rodapé, à direita (não precisa informar). 
b.11. Espaçamento entre texto e Ilustração (Figura/Quadro/Gráfico) ou Tabela – um espaço 
vazio; 
b.12. O título de Ilustração (Figura/Quadro/Gráfico) ou Tabela possui numeração arábica, 
separada por dois-pontos, à esquerda, sem negrito. 
b.13. A Ilustração (Figura/Quadro/Gráfico) ou Tabela devem indicar a fonte. 
c) A formatação eletrônica admitida do relatório será no formato doc. ou docx., cujo arquivo também está 
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http://ufpi.br/cgp-formularios