Please use this identifier to cite or link to this item: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/49576
Document type: Dissertação
Access type: Acesso Aberto
Title: Permeabilidade seletiva de água e metanol através de filmes ultrafinos de rGO/Polímero: uma investigação computacional
Alternate title (s): Selective permeability of water and methanol through ultrathin rGO/Polymer films: a computational investigation
Author: Almeida, João Felipe da Silva
First Advisor: Borges, Daiane Damasceno
First member of the Committee: Borges, Pablo Damasceno
Second member of the Committee: Marletta, Alexandre
Summary: A busca por fontes de energia limpas e sustentáveis, devido a crescente demanda energética e também aos problemas causados pelo o uso de combustíveis fósseis, traz o desafio de desenvolver tecnologias capazes de substituir a matriz energética poluente (1). Nesse contexto, a Célula a Combustível de Metanol Direto (DMFC) se apresenta como uma fonte alternativa de energia não intermitente e portátil, com baixa emissão de 𝐶𝑂2, sem a liberação de outros gases poluentes e capaz de operar em condições próximas à temperatura ambiente (2). O óxido de grafeno reduzido (rGO) envelopado por poli(estireno sulfonato) (PSS) leva a formação de um material híbrido estável (GPSS). Esse compósito possibilita a fabricação de filmes ultrafinos com propriedades de barreira promissoras para aplicação em DMFC, a fim de impedir o envenenamento da célula pelo metanol, um dos maiores desafios dessa tecnologia (3). Evidências experimentais mostram que membranas de eletrólito polimérico de DMFCs revestidas com filmes ultrafinos à base de GPSS apresentam uma redução significativa na permeação de metanol e um aumento na densidade de potência da célula. Nesse contexto, o objetivo desse trabalho foi estudar o mecanismo pelo qual o GPSS atua como barreira ao metanol sem reduzir a permeação de água e prótons (4). Para isso, foi utilizado simulações clássicas de Dinâmica Molecular a fim de investigar as propriedades estruturais e dinâmicas do GPSS em diferentes frações de ionização do polímero em um solvente composto por água, metanol e hidrônio. No que diz respeito às propriedades estruturais, foi discutido como a fração de sulfonação influencia a auto-organização do filme em camadas, incluindo seu efeito na conformação do PSS e na distribuição dos rGOs, além de descrever a natureza das interações PSS e rGO. Quanto às propriedades de dinâmica, foi analisado o impacto da estrutura do GPSS na difusão do solvente e elucidado os mecanismos que levam a difusão seletiva do metanol.
Abstract: The search for clean and sustainable energy sources, driven by the growing energy demand and the problems caused by the use of fossil fuels, poses the challenge of developing technologies capable of replacing the polluting energy matrix (1). In this context, the Direct Methanol Fuel Cell (DMFC) stands out as an alternative, non-intermittent, and portable energy source, with low 𝐶𝑂2 emissions, no release of other polluting gases, and the ability to operate under conditions close to room temperature (2). Reduced graphene oxide (rGO) wrapped with poly(styrene sulfonate) (PSS) leads to the formation of a stable hybrid material (GPSS). This composite enables the fabrication of ultrathin films with promising barrier properties for DMFC applications, aiming to prevent methanol crossover poisoning, one of the major challenges of this technology (3). Experimental evidence shows that polymer electrolyte membranes of DMFCs coated with ultrathin GPSS-based films exhibit a significant reduction in methanol permeation and an increase in the cell’s power density. In this context, the objective of this work was to study the mechanism behind the methanol barrier provided by GPSS, which still allows the permeation of water and protons (4). To that end, classical Molecular Dynamics simulations were employed to investigate the structural and dynamic properties of GPSS at different polymer ionization fractions in a solvent composed of water, methanol, and hydronium. Regarding structural properties, the influence of the sulfonation fraction on the self-assembly of the layered film was discussed, including its effect on the PSS conformation and the distribution of rGO sheets, as well as the nature of the PSS–rGO interactions. As for the dynamic properties, the impact of GPSS structure on solvent diffusion was analyzed, and the mechanisms leading to the selective diffusion of methanol were elucidated.
Keywords: Óxido de Grafeno Reduzido
Reduced Graphene Oxide
Simulação de Dinâmica Molecular
Molecular Dynamics Simulation
DMFC
DMFC
Polímeros
Polymers
Difusão Seletiva de Água e Metanol
Selective Diffusion of Water and Methanol
Area (s) of CNPq: CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA
CNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICA::FISICA ATOMICA E MOLECULAR
Subject: Física
Água
Polímero
Dinâmica molecular
Language: por
Country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Uberlândia
Program: Programa de Pós-graduação em Física
Quote: ALMEIDA, João Felipe da Silva. Permeabilidade seletiva de água e metanol através de filmes ultrafinos de rGO/Polímero: uma investigação computacional. 2025. 52 f. Dissertação (Mestrado Acadêmico em Física) – Universidade Federal de Uberlândia, Uberlândia, 2025. DOI: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.5051.
Document identifier: http://doi.org/10.14393/ufu.di.2026.5051
URI: https://repositorio.ufu.br/handle/123456789/49576
Date of defense: 1-Oct-2025
Sustainable Development Goals SDGs: ODS::ODS 7. Energia limpa e acessível - Garantir acesso à energia barata, confiável, sustentável e renovável para todos.
Appears in Collections:DISSERTAÇÃO - Física

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