Modelagem e simulação de dispositivos eletroquímicos por elementos finitos

Resumo

O processo de desenvolvimento de qualquer dispositivo eletroquímico compreende tanto etapas experimentais quanto de modelagem. Faz-se necessário que ambas avancem concomitantemente para que seja alcançada a otimização do dispositivo. É neste contexto que esta proposta de trabalho toma seu lugar. O conhecimento acerca de simulação e modelagem construído nos últimos anos seria de grande proveito para contribuir no melhoramento dos dispositivos eletroquímicos em desenvolvimento nos laboratórios abrangidos pelo Centro de Desenvolvimento de Materiais Funcionais (CDMF). Através da capacidade de modelar sistemas eletroquímicos pode-se indicar condições mais favoráveis para a realização dos experimentos eletroquímicos. Neste sentido, pode-se oferecer uma maneira de se investigar o sistema e expandir o conhecimento acerca do mesmo permitindo uma economia nos recursos despendidos com reagentes e manutenção de equipamentos. A modelagem do transporte de espécies em solução associado a fenômenos eletroquímicos interfaciais é um requisito para se investigar a variação de pH interfacial em sistemas onde não é possível inserir um sensor dedicado a este fim. Certamente, esta abordagem apresenta grande potencial para ser estendida a outros sistemas eletroquímicos. Além disso, sabendo que no CDMF são desenvolvidos inúmeros materiais semicondutores com potencial aplicação na conversão de energia e na fotoeletrodecomposição da água, acredita-se que a abordagem de modelagem e simulação por elementos finitos, certamente, pode fornecer valiosos entendimentos sobre parâmetros geométricos e de interação entre materiais semicondutores nanoestruturados. Esta proposta de trabalho consiste em aplicar a modelagem e simulação de semicondutores aos materiais de interesse do CDMF. Eventualmente, quando conveniente, propõe-se acoplar a modelagem de transporte de massa para investigar a variação de pH interfacial. Almeja-se integrar o conhecimento já consolidado com a modelagem de semicondutores sob iluminação. Otimizar parâmetros geométricos de materiais semicondutores nanoestruturados. Prover descrição modelística para aprofundar o entendimento dos materiais semicondutores sob iluminação visando alcançar um patamar superior de impacto científico. Investigar se a degradação do material, quando submetido a testes de estabilidade, pode estar relacionado a alguma variação no ambiente químico na vizinhança de sua superfície, como por exemplo a mudança do pH interfacial. Para se alcançar as metas almejadas, a modelagem compreenderá a concatenação de múltiplas físicas. Para descrever as características intrínsecas dos semicondutores será adotada uma abordagem semiclássica na qual serão realizadas aproximações na equação de Boltzmann para produzir as equações de drift-diffusion. A modelagem para a luz seguirá uma derivação que terá como pano de fundo as leis teóricas de Maxwell-Ampère e Faraday. Além disso, para se levar em consideração o transporte de espécies em solução será necessário fazer uso da equação de Nernst-Planck. Obviamente, em virtude da complexidade da modelagem, para ser resolvido, este arcabouço teórico necessitará do emprego do Método Numérico dos Elementos Finitos, que será disponibilizado através do software COMSOL Multiphysics. É esperado alcançar e proporcionar um nível mais profundo de entendimento acerca dos semicondutores desenvolvidos no CDMF. Por meio das modelagens e simulações, almeja-se prover valorosas contribuições para o desenvolvimento científico e tecnológico preconizado pelo CDMF. Além disso, planeja-se consolidar essa abordagem junto aos procedimentos já adotados no desenvolvimento de semicondutores, de modo que os futuros trabalhos desenvolvidos no CDMF poderão contar com o respaldo no legado que se almeja construir. (AU)