Propiedades Mecánicas del β-MnO2 por DFT
DOI:
https://doi.org/10.37636/recit.v43224233Palabras clave:
DFT, CASTEP, MnO2, Propiedades mecánicas, Constantes elásticasResumen
Se sintetizaron nanovarillas de óxido de manganeso en fase cristalina beta (β-MnO2). Microscopía electrónica de barrido (SEM) y difracción de rayos-X (XRD) confirmaron la morfología y fase cristalina, respectivamente. Mediante la teoría del funcional de densidad (DFT), se calcularon las propiedades mecánicas teóricas de β-MnO2 con el programa CASTEP. Se realizó una optimización de la geometría de la celda unitaria, determinándose las constantes elásticas Cij, calculándose los valores del módulo de Young y de corte, y el coeficiente de Poisson, entre otros. Los resultados fueron comparados con los valores reportados en la literatura, encontrándose una significante similitud en los parámetros analizados. Las relaciones de Cij indicaron la aceptación de los criterios de Born, confirmando la estabilidad de la estructura cristalina de β-MnO2. La constante C44, así como el módulo de volumen y de corte, mostraron valores grandes, lo que indica un material con considerable dureza. Este comportamiento fue confirmado con el valor obtenido de la razón del módulo de volumen entre el módulo de corte por la aproximación de Hill. El entendimiento de las propiedades calculadas en este estudio usando CASTEP permitirá obtener parámetros adicionales de propiedades ópticas, termodinámicas, entre otras, así como el desarrollo de modelaciones y simulaciones que permitan entender y aplicar los conocimientos adquiridos a aplicaciones reales (experimentales), p. ej., en la remoción de contaminantes.
Descargas
Citas
H. Wang et al., "Release of deposited MnO2 nanoparticles from aqueous surfaces," J. Environ. Sci., vol. 90, no. December, pp. 234-243, Apr. 2020. https://doi.org/10.1016/j.jes.2019.12.011. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jes.2019.12.011
M. V. Curia, "Manganeso. Generalidades," in Estudio fisicoquímico y catalítico del sistema Mn-O-V, 2010, p. 209.
Z. Yang, C. Zhou, W. Zhang, H. Li, and M. Chen, "β-MnO2 nanorods: A new and efficient catalyst for isoamyl acetate synthesis," Colloids Surfaces A Physicochem. Eng. Asp., vol. 356, no. 1-3, pp. 134-139, Mar. 2010. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2010.01.007 DOI: https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2010.01.007
S. Kim, H. Yoon, D. Shin, J. Lee, and J. Yoon, "Electrochemical selective ion separation in capacitive deionization with sodium manganese oxide," J. Colloid Interface Sci., vol. 506, pp. 644-648, Nov. 2017. https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.07.054 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcis.2017.07.054
B. Lan et al., "Multifunctional free-standing membrane from the self-assembly of ultralong MnO2 nanowires," ACS Appl. Mater. Interfaces, vol. 5, no. 15, pp. 7458-7464, 2013. https://doi.org/10.1021/am401774r DOI: https://doi.org/10.1021/am401774r
M. S. Selim, Z. Hao, Y. Jiang, M. Yi, and Y. Zhang, "Controlled-synthesis of β-MnO2 nanorods through a γ-manganite precursor route," Mater. Chem. Phys., vol. 235, no. June, p. 121733, Sep. 2019. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.121733 DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2019.121733
Y. Kumar, S. Chopra, A. Gupta, Y. Kumar, S. J. Uke, and S. P. Mardikar, "Low temperature synthesis of MnO2 nanostructures for supercapacitor application," Mater. Sci. Energy Technol., vol. 3, pp. 566-574, 2020. https://doi.org/10.1016/j.mset.2020.06.002 DOI: https://doi.org/10.1016/j.mset.2020.06.002
S. Balamurugan, A. Rajalakshmi, and D. Balamurugan, "Acetaldehyde sensing property of spray deposited β-MnO2 thin films," J. Alloys Compd., vol. 650, pp. 863-870, Nov. 2015. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.08.063 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2015.08.063
D. S. Sholl and J. A. Steckel, "What is Density Functional Theory?," in Density Functional Theory, 2009, pp. 1-33. https://doi.org/10.1002/9780470447710 DOI: https://doi.org/10.1002/9780470447710
V. Milman et al., "Electron and vibrational spectroscopies using DFT, plane waves and pseudopotentials: CASTEP implementation," J. Mol. Struct. THEOCHEM, vol. 954, no. 1-3, pp. 22-35, Aug. 2010. https://doi.org/10.1016/j.theochem.2009.12.040 DOI: https://doi.org/10.1016/j.theochem.2009.12.040
S. J. Clark et al., "First principles methods using CASTEP," Zeitschrift für Krist. - Cryst. Mater., vol. 220, no. 5/6, pp. 567-570, Jan. 2005 https://doi.org/10.1524/zkri.220.5.567.65075 DOI: https://doi.org/10.1524/zkri.220.5.567.65075
L. B. Shi, C. Y. Xu, and H. K. Yuan, "A CASTEP study on magnetic properties of C-doped ZnO crystal," Phys. B Condens. Matter, vol. 406, no. 17, pp. 3187-3191, Sep. 2011. https://doi.org/10.1016/j.physb.2011.05.022 DOI: https://doi.org/10.1016/j.physb.2011.05.022
M. Rizwan, Hajra, I. Zeba, M. Shakil, S. S. A. Gillani, and Z. Usman, "Electronic, structural and optical properties of BaTiO3 doped with lanthanum (La): Insight from DFT calculation," Optik (Stuttg)., vol. 211, no. February, p. 164611, Jun. 2020. https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.164611 DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijleo.2020.164611
M. Musil, B. Choi, and A. Tsutsumi, "Morphology and Electrochemical Properties of α-, β-, γ-, and δ-MnO 2 Synthesized by Redox Method," J. Electrochem. Soc., vol. 162, no. 10, pp. A2058-A2065, 2015. https://doi.org/10.1149/2.0201510jes DOI: https://doi.org/10.1149/2.0201510jes
D. Gangwar and C. Rath, "Structural, optical and magnetic properties of α- and β-MnO2 nanorods," Appl. Surf. Sci., vol. 557, no. March, p. 149693, Aug. 2021. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.149693 DOI: https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2021.149693
M. Studio, "Modules Tutorials Materials Studio 2017," Tutorial. 2016.
S. Ma, X. Ye, X. Jiang, W. Cen, W. Jiang, and H. Wang, "First principles calculation of mechanical, dynamical and thermodynamic properties of MnO2 with four crystal phases," J. Alloys Compd., vol. 852, p. 157007, Jan. 2021. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157007 DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.157007
T. C. Linares Fuentes, C. J. A. Garrido Schaeffer, W. More, N. F. Cornejo, A. Tamayo, and J. Rubio, "Teoría del Funcional de la Densidad en cristales de silicato de potasio. Aplicación al cálculo de propiedades mecánicas y microdureza Vickers en vidrios," Boletín la Soc. Española Cerámica y Vidr., pp. 1-14, Aug. 2020. https://doi.org/10.1016/j.bsecv.2020.08.001 DOI: https://doi.org/10.1016/j.bsecv.2020.08.001
M. I. Kholil and M. T. H. Bhuiyan, "A theoretical (DFT) study of structural, mechanical and thermodynamic properties of manganese arsenides CsMn4As3 and RbMn4As3," Comput. Condens. Matter, vol. 26, p. e00526, Mar. 2021. https://doi.org/10.1016/j.cocom.2020.e00526 DOI: https://doi.org/10.1016/j.cocom.2020.e00526
M. Chepkoech, D. P. Joubert, and G. O. Amolo, "First principles calculations of the thermoelectric properties of α-MnO2 and β-MnO2," Eur. Phys. J. B, vol. 91, no. 12, p. 301, Dec. 2018. https://doi.org/10.1140/epjb/e2018-90321-4 DOI: https://doi.org/10.1140/epjb/e2018-90321-4
D. A. J. Montero, "Estudio mecano-cuántico de materiales desde primeros principios: propiedades elásticas y estabilidad del EuVO 4," Universidad de La Laguna, 2014.
E. Scholtzová and D. Tunega, "Prediction of mechanical properties of grafted kaolinite - A DFT study," Appl. Clay Sci., vol. 193, no. May, p. 105692, Aug. 2020, https://doi.org/10.1016/j.clay.2020.105692 DOI: https://doi.org/10.1016/j.clay.2020.105692
H. Joshi, T. V. Vu, N. N. Hieu, R. Khenata, and D. P. Rai, "Mechanical and thermodynamical properties of Fe2CoAl a full-Heusler alloy under hydrostatic pressure: A DFT study," Mater. Chem. Phys., vol. 270, no. March, p. 124792, Sep. 2021. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.124792 DOI: https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2021.124792
A. Benamrani, S. Daoud, M. M. Abdus Salam, and H. Rekab-Djabri, "Structural, elastic and thermodynamic properties of YRh: DFT study," Mater. Today Commun., vol. 28, p. 102529, Sep. 2021. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102529 DOI: https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102529
C. M. Ruiz and J. M. Osorio-Gillén, "Estudio teórico de las propiedades elásticas de los minerales Cu3TMSe4 (TM = V, Nb, Ta) por medio de cálculos atomísticos de primeros principios," Ing. y Cienc. - ing.cienc., vol. 7, no. 13, pp. 131-150, 2011, [Online]. Available: http://publicaciones.eafit.edu.co/index.php/ingciencia/article/view/404.
R. Gaillac, P. Pullumbi, and F.-X. Coudert, "ELATE: an open-source online application for analysis and visualization of elastic tensors," J. Phys. Condens. Matter, vol. 28, no. 27, p. 275201, Jul. 2016. https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/27/275201 DOI: https://doi.org/10.1088/0953-8984/28/27/275201
Publicado
Cómo citar
Número
Sección
Categorías
Licencia
Derechos de autor 2021 María Alejandra Gómez Murillo, Balter Trujillo Navarrete
Esta obra está bajo una licencia internacional Creative Commons Atribución 4.0.
Los autores/as que publiquen en esta revista aceptan las siguientes condiciones:
- Los autores/as conservan los derechos de autor y ceden a la revista el derecho de la primera publicación, con el trabajo registrado con la licencia de atribución de Creative Commons 4.0, que permite a terceros utilizar lo publicado siempre que mencionen la autoría del trabajo y a la primera publicación en esta revista.
- Los autores/as pueden realizar otros acuerdos contractuales independientes y adicionales para la distribución no exclusiva de la versión del artículo publicado en esta revista (p. ej., incluirlo en un repositorio institucional o publicarlo en un libro) siempre que indiquen claramente que el trabajo se publicó por primera vez en esta revista.
- Se permite y recomienda a los autores/as a compartir su trabajo en línea (por ejemplo: en repositorios institucionales o páginas web personales) antes y durante el proceso de envío del manuscrito, ya que puede conducir a intercambios productivos, a una mayor y más rápida citación del trabajo publicado (vea The Effect of Open Access).
