Theoretical investigation of (La₄O₆)_n, (La₂Ce₂O₇)_n, and (Ce₄O₈)_n nanoclusters (n=10, 18): Temperature effects and O-vacancy formation

Autor(es)

Mocelim, Mauricio ; Santos, Mylena N. ; Bittencourt, Albert F. B. ; Lourenco, Tuanan C. ; Da Silva, Juarez L. F.

• Tipo de documento: Artigo Científico
• Fonte: Journal of Chemical Physics; v. 160, n. 18, p. 14-pg., 2024-05-14.

Resumo

We report a theoretical investigation of temperature, size, and composition effects on the structural, energetic, and electronic properties of the (La4O6)(n), (La2Ce2O7)(n), and (Ce4O8)(n) nanoclusters (NCs) for n = 10, 18. Furthermore, we investigated the single O vacancy formation energy as a function of the geometric location within the NC. Our calculations are based on the combination of force-field molecular dynamics (MD) simulations and density functional theory calculations. We identified a phase transition from disordered to ordered structures for all NCs via MD simulations and structural analysis, e.g., radius changes, radial distribution function, common neighbor analysis, etc. The transition is sharp for La36Ce36O126, La20Ce20O70, and Ce72O144 due to the crystalline domains in the core and less abrupt for Ce40O80, La40O60, and La72O108. As expected, radius changes are abrupt at the transition temperature, as are morphological differences between NCs located below and above the transition temperature. We found a strong dependence on the O vacancy formation energy (E-vac) and its location within the NCs. For example, for La40O60, E-vac decreases almost linearly as the distance from the geometric center increases; however, the same trend was not observed for Ce40O80, while there are large deviations from the linear trend for La20Ce20O70. E-vac has smaller values for Ce40O80 and higher values for La40O60, that is, almost three times, while E-vac has intermediate values for mixed oxides, as expected from weighted averages. Therefore, the mixture of one formula unit of La2O3 with two formula units of CeO2 has the effect of increasing the stability of CeO2 (binding energy), which increases the magnitude of the formation energy of the O vacancy. (AU)

• Processo FAPESP: 22/12778-5 - Ciência computacional de materiais aplicada à seleção de materiais
• Beneficiário: Albert Frederico Barbosa Bittencourt
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 19/23681-0 - De métodos ab initio até o contínuo para a busca de materiais para baterias de sódio-íon
• Beneficiário: Tuanan da Costa Lourenço
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 18/21401-7 - EMU concedido no processo 2017/11631-2: cluster computacional de alto desempenho - ENIAC
• Beneficiário: Juarez Lopes Ferreira da Silva
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Equipamentos Multiusuários
• Processo FAPESP: 22/05652-5 - Campos de força polarizáveis para a Investigação de materiais de bateria de sódio-íon
• Beneficiário: Tuanan da Costa Lourenço
• Modalidade de apoio: Bolsas no Exterior - Estágio de Pesquisa - Pós-Doutorado
• Processo FAPESP: 20/10532-3 - Estudo das propriedades estruturais e energéticas de nanoligas formadas por CeO2-ZrO2 via cálculos de dinâmica molecular
• Beneficiário: Mylena Novaes Santos
• Modalidade de apoio: Bolsas no Brasil - Iniciação Científica
• Processo FAPESP: 17/11631-2 - CINE: desenvolvimento computacional de materiais utilizando simulações atomísticas, meso-escala, multi-física e inteligência artificial para aplicações energéticas
• Beneficiário: Juarez Lopes Ferreira da Silva
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia
• Processo FAPESP: 17/11937-4 - Rota sustentável para a conversão de metano com tecnologias eletroquímicas avançadas
• Beneficiário: Fabio Coral Fonseca
• Modalidade de apoio: Auxílio à Pesquisa - Programa Centros de Pesquisa em Engenharia