Simulações computacionais de sistemas poliméricos aplicados à separação de gases e armazenamento de energia

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MetadadosDescriçãoIdioma
Autor(es): dc.contributorCosta, Luciano Tavares da-
Autor(es): dc.contributorReis, Rodrigo Azevedo dos-
Autor(es): dc.contributorSilva, Júlio César Martins da-
Autor(es): dc.contributorAmorim, Rodrigo Garcia-
Autor(es): dc.contributorMIranda, Caetano Rodrigues-
Autor(es): dc.contributorFranco, Luís Fernando Mercier-
Autor(es): dc.creatorSilva, Flávia Cristina Assis-
Data de aceite: dc.date.accessioned2024-07-11T18:20:35Z-
Data de disponibilização: dc.date.available2024-07-11T18:20:35Z-
Data de envio: dc.date.issued2023-06-22-
Data de envio: dc.date.issued2023-06-22-
Fonte completa do material: dc.identifierhttp://app.uff.br/riuff/handle/1/29194-
Fonte: dc.identifier.urihttp://educapes.capes.gov.br/handle/capes/768664-
Descrição: dc.descriptionO aumento da concentração de CO2 na atmosfera é apontado como principal causa do aquecimento global. Dessa forma, faz-se necessário a busca por novas tecnologias de captura, uso e armazenamento de carbono (CCUS) e fontes de energias renováveis. Para tornar isso possível, este trabalho apresenta a modelagem molecular de sistemas poliméricos com potencial aplicação na captura de CO2, e armazenamento de energia proveniente de fontes renováveis. A modelagem molecular foi aplicada para investigar as propriedades estruturais, termodinâmicas e dinâmicas de um modelo de oligômero de poli (uretano ureia) (PUU) para capturar seletivamente CO2 na presença de CH4. Visando a aplicação de sistemas poliméricos no armazenamento de energia, eletrólitos poliméricos baseados em poli ( uoreto de vinilideno) (PVDF) com diferentes concentrações (40, 55, 65 e 75% em massa) de 1-metil-3-etilimidazólio bis ( uorossulfonil) imida [EMIM] [FSI] foram investigados por técnicas experimentais e de simulação de dinâmica molecular (DM). Uma abordagem já aplicada para polipeptídeos para derivação de cargas atômicas parciais, foi aplicada ao modelo, com base em amostragem estatística, utilizando cálculos de química quântica e dinâmica estocástica. As interações dos gases com o modelo de PUU foram estudadas em sistemas contendo gases puros e mistura de gases. Uma caracteriza- ção detalhada da estrutura revelou alta interação das moléculas de CO2 com os segmentos rígidos do PUU. As propriedades estruturais e energéticas explicaram as razões para a maior sorção de CO2 em relação ao CH4. A seletividade ideal para a separação CO2 / CH4 foi 41 à 298 K. A superfície divisória de Gibbs foi caracterizada para cada sistema, e o CO2 permaneceu con nado durante todo tempo de simulação (1000 ns) na interface do modelo gás-oligômero. O modelo de oligômero simulado demonstrou ser um material promissor na separação de CO2 / CH4. O sistema PVDF/[EMIM][FSI] foi investigado visando ä aplicação em armazenamento de energia, com base em recente estudo aplicado a capacitores. Observou-se que a adição de Líquido Iônico LI no polímero diminuiu ligeiramente a janela de estabilidade eletroquí- mica em comparação ao LI puro. Para o PVDF puro, a temperatura de transição vítrea (Tg) obtida foi de 233,1 K, o que está de acordo com os dados experimentais. Com a adição de LI, a temperatura de transição vítrea dos sistemas diminuíram, indicando uma redução na mobilidade segmentar do polímero. As condutividades iônicas foram obtidas por meio de medidas experimentais e simulações de DM, as quais foram calculadas pelos métodos de Nernst-Einstein e Einstein-Helfand. Para os eletrólitos gel poliméricos (GPEs), as condutividades experimentais foram duas ordens de magnitude menores do que o LI puro devido à formação de pontos de reticulação física que reduzem a mobilidade do polímero. Os resultados das simulações de DM reproduziram a tendência geral da condutividade iônica obtida experimentalmente para os GPEs. A análise estrutural dos eletrólitos mostrou que a interação do polímero com os íons ocorre em locais especí- cos, formando camadas alternadas de cátions e ânions. Os sistemas de GPEs estudados apresentam uma condutividade iônica que depende principalmente da mobilidade do pol ímero. Ambos os projetos demonstraram o potencial de PUU e PVDF para aplicação em Resumo iv sistemas de tecnologia limpa, visando a redução da concentração de CO2 na atmosfera-
Descrição: dc.descriptionThe world desperately needs new technologies and solutions to reduce the CO2 concentration in the atmosphere and to slow down global warming. To this end, the search for new technologies of Carbon capture, use, and storage (CCUS) and renewable energies are needed. To make this possible, this work presents an application of polymeric systems in CO2 capture and energy storage from renewable sources. Molecular modeling was applied to investigate the structural, thermodynamic, and dynamical properties of a poly(urethane urea) (PUU) oligomer model to selectively capture CO2 in the presence of CH4. Aiming at the application of polymeric systems in energy storage, gel polymeric electrolytes were also studied. Polymer electrolytes based on poly (vinylidene uoride) (PVDF) with di erent concentrations (40, 55, 65, and 75 in wt.%) of 1-methyl-3- ethylimidazolium bis( uorosulfonyl)imide [EMIM][FSI] were investigated by experimental and molecular dynamics (MD) simulation techniques. In this work, an approach already applied to polypeptides for derivation of partial atomic charges for atoms was applied in a polymer chain based on self-consistent sampling using quantum chemistry calculations and stochastic dynamics. The interactions of gases with the PUU model were studied in a pure gas based system as well as in a gas mixture. A detailed structure characterization revealed high interaction of CO2 molecules with the hard segments of PUU. Therefore, the structural and energy properties explain the reasons for the greater CO2 sorption than CH4 with an ideal selectivity of 41 at 298 K. We characterized the Gibbs dividing surface for each system, and the CO2 is con ned for a long time at the gas-oligomer model interface. The simulated oligomer model showed be a potential material for CO2/CH4 separation. The system investigated with application in energy storage was the PVDF/[EMIM][FSI], based on a recent study applied to capacitors. It was observed that the addition of Ionic Liquid (IL) in the polymer decreases, slightly, the electrochemical stability window. To the neat PVDF, the simulated glass transition temperature (Tg) was obtained at 233.1 K, which is in good agreement with the experimental data. With the increase of IL content, the glass transition temperature of the system decreased, indicating a reduction in the polymer segmental mobility. Ionic conductivities were obtained through experimental measurements and MD simulations, which were calculated by Nernst-Einstein and Einstein-Helfand methods. To the gel polymer electrolytes (GPEs) the experimental conductivities were two orders of magnitude lower than the neat IL due to the cross-linking formation that reduces the polymer mobility. The MD simulations results reproduced the general trend of the experimental ionic conductivities for the GPEs. Structural analysis of the electrolytes showed that the interaction of the polymer with the ions occurs at speci c sites, forming alternating layers of cations and anions. The studied GPEs systems present an ionic conductivity that is mainly dependent on polymer mobility. Both projects demonstrated the potential of PUU and PVDF to be applied in clean technology systems, promising candidates in applications aimed at reducing CO2 in the atmosphere. Abstract-
Descrição: dc.description149 f.-
Formato: dc.formatapplication/pdf-
Idioma: dc.languagept_BR-
Direitos: dc.rightsOpen Access-
Direitos: dc.rightsCC-BY-SA-
Palavras-chave: dc.subjectSistemas poliméricos-
Palavras-chave: dc.subjectEletrólitos-
Palavras-chave: dc.subjectDinâmica molecular-
Palavras-chave: dc.subjectMembranas-
Palavras-chave: dc.subjectSeparação de gases-
Palavras-chave: dc.subjectCondutividade-
Palavras-chave: dc.subjectMembrana poliuretano-ureia-
Palavras-chave: dc.subjectModelagem-
Palavras-chave: dc.subjectLiquefação fracionada-
Palavras-chave: dc.subjectPolímero-
Palavras-chave: dc.subjectSimulação por computador-
Palavras-chave: dc.subjectEnergia renovável-
Palavras-chave: dc.subjectPolymeric systems-
Palavras-chave: dc.subjectElectrolytes-
Palavras-chave: dc.subjectMolecular dynamics-
Palavras-chave: dc.subjectMembranes-
Palavras-chave: dc.subjectGas separation-
Palavras-chave: dc.subjectConductivity-
Título: dc.titleSimulações computacionais de sistemas poliméricos aplicados à separação de gases e armazenamento de energia-
Título: dc.titleComputer simulations of polymeric systems applied to gas separation and energy storage-
Tipo de arquivo: dc.typeTese-
Aparece nas coleções:Repositório Institucional da Universidade Federal Fluminense - RiUFF

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