Juarez Lopes Ferreira da Silva.

O projeto teve início em 2018 no âmbito do Engineering Research Center Program FAPESPSHELL, com o título Computational Material Science and Chemistry (20182023) e, a partir de 2023, passou a se chamar Computational Materials Design (20232028). Essa mudança reflete a evolução natural das estratégias de pesquisa adotadas, que migraram de abordagens descritivas para metodologias preditivas e orientadas por dados, com foco na engenharia racional de materiais por meio de simulações computacionais avançadas. O projeto é coordenado pelo Prof. Juarez L. F. Da Silva (Universidade de São Paulo) e integra um dos quatro programas de pesquisa do Center for Innovation on New Energies CINE, cujo HUB administrativo está localizado na Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP).Atualmente, o projeto está estruturado em seis subprojetos interligados, com foco em temas estratégicos para a transição energética e o desenvolvimento sustentável. Um dos subprojetos dedica-se ao estudo de perovskitas e materiais bidimensionais aplicados ao desenvolvimento de células solares de nova geração. Outro investiga a produção de hidrogênio verde por meio de eletrolisadores, com ênfase na modelagem de materiais catalíticos eficientes. Também há uma linha voltada ao desenvolvimento de baterias de sódio, utilizando simulações por dinâmica molecular e técnicas multifísicas para entender e otimizar o desempenho desses dispositivos. Em paralelo, um subprojeto explora o uso de aprendizado de máquina (machine learning) para acelerar a descoberta de novos materiais, enquanto outro aplica técnicas de processamento de linguagem natural (PLN) para minerar literatura científica e extrair dados relevantes de forma automatizada. Ao longo de sua trajetória, o projeto consolidou uma abordagem interdisciplinar, integrando física, química, ciência de dados e engenharia, e formando recursos humanos altamente qualificados. A combinação entre simulações multiescala, química quântica, e inteligência artificial posiciona o projeto como uma referência nacional e internacional na área de materiais para novas energias.

The development of new catalysts remains a fundamental goal in catalysis, directly impacting the production of an immense range of industrial products. Consequently, there is significant interest in understanding, predicting, and tuning the physical and chemical properties of catalytic materials. This understanding is essential for designing novel catalysts that enhance reaction efficiency and reduce production costs. Over the past two decades, substantial progress has been made in nanoscience, enabling precise control over the synthesis of transition-metal (TM) nanoclusters in terms of size (atom by atom), shape, and composition. Despite these advancements, our atomistic understanding of their atomic structure, thermodynamic stability, electronic properties, and reactivity as a function of size remains incomplete. This limitation arises from the intrinsic challenges associated with studying nanoscale systems. For instance, a fundamental question in this field is: What is the atomic structure of a binary TM nanocluster composed of 48 Pt and 35 Au atoms in the gas phase and under environmental conditions?Computational materials science, particularly first-principles (ab initio) methods, has made remarkable strides due to the development of advanced theoretical approaches and algorithms tailored for modern computing architectures. These methods have been widely employed to achieve atomistic insights into the physical and chemical processes governing material properties. In this project, we aim to provide a theoretical framework for predicting the structure, thermodynamic stability, electronic characteristics, and reactivity of TM nanoclusters using two complementary strategies. First, we will employ state-of-the-art Density Functional Theory (DFT) implementations available in modern computational packages, such as the Vienna Ab Initio Simulation Package (VASP) and the Ab Initio Molecular Simulations (AIMS) package. These tools will enable us to investigate the fundamental properties of TM nanoclusters at the atomic level. Second, to determine the ground-state atomic structures and high-energy isomers of nanoclusters, we will develop and implement global optimization algorithms within our research group. These include Revised Basin Hopping Monte Carlo (R-BHMC), Genetic Algorithm (GA), and Parallel Tempering R-BHMC. Furthermore, we will integrate the Parallel Tempering Monte Carlo (PTMC) algorithm to study the thermodynamic stability of nanoclusters, a crucial aspect for designing robust and efficient nanocatalysts capable of operating under realistic conditions.In summary, by combining first-principles calculations with advanced optimization techniques, this research will contribute to a deeper understanding of TM nanoclusters, ultimately guiding the rational design of next-generation catalysts with enhanced performance and stability.

O desenvolvimento de catalisadores altamente estáveis e de baixo custo para a produção de hidrogênio a partir da eletro-oxidação do etanol é um dos principais desafios para a viabilização do uso em larga escala de células a combustível que utilizam etanol diretamente. Dentre as principais rotas para a produção de hidrogênio a partir do etanol, destacam-se a reforma a vapor e a oxidação direta do etanol, ambas fortemente dependentes da escolha do sistema catalítico. Nesse contexto, a busca por novos materiais com desempenho otimizado para aplicações catalíticas tem sido uma área de grande interesse científico e tecnológico. Em particular, nanoligas de metais de transição formadas pela combinação de dois ou mais elementos desse grupo têm se mostrado promissoras devido às suas propriedades eletrônicas e estruturais ajustáveis, que podem ser exploradas para aumentar a eficiência e a durabilidade dos catalisadores. Neste projeto, propomos o uso de simulações computacionais ab initio baseadas na teoria do funcional da densidade para caracterizar as propriedades físicas e químicas de nanoligas de metais de transição. A abordagem computacional permitirá uma análise detalhada da estabilidade estrutural, reatividade química e mecanismos de adsorção e dissociação de moléculas relevantes para processos catalíticos, contribuindo para a compreensão dos fatores fundamentais que governam a atividade catalítica desses materiais. Além das aplicações em catálise, as nanoligas de metais de transição possuem um amplo espectro de usos potenciais em áreas como sensores químicos, armazenamento de energia, eletrônica molecular e nanotecnologia. A capacidade de projetar e otimizar suas propriedades por meio de abordagens computacionais abre novas perspectivas para o desenvolvimento de materiais multifuncionais com alto impacto tecnológico.

The development of stable and cost-effective catalytic systems for hydrogen (H#8322;) production from ethanol (C#8322;H#8325;OH) is a critical challenge for the economic viability of direct-ethanol fuel cells (DEFC). Among the primary routes for hydrogen generation, steam reforming and ethanol oxidation are highly dependent on the choice of the catalyst system. These catalysts are typically composed of transition-metal (TM) particlessuch as Rh, Pd, Pt, and Fesupported on metal-oxide materials, including Al#8322;O#8323;, CeO#8322;, V#8322;O#8325;, and SiO#8322;. While TM particles have traditionally been used at the microscopic scale, advances in experimental techniques have enabled the use of nanoparticles and even atomic-scale clusters supported on metal-oxide surfaces for catalytic applications. It is now widely recognized that a microscopic understanding of the catalytic process is essential for identifying the key physical parameters that determine the efficiency and stability of a given catalyst. In this visiting scientist project, we propose to employ first-principles computational methods based on density functional theory (DFT) as implemented in the Vienna Ab initio Simulation Package (VASP). Our goal is to achieve an atomistic-level understanding of the interactions between TM particles and monolayers with oxide surfaces, ultimately contributing to the rational design of more efficient catalysts for direct-ethanol fuel cells.

The development of low-cost and long-term stable catalytic compounds for hydrogen production from ethanol remains one of the major challenges in enabling the large-scale deployment of direct-ethanol fuel cells. Steam reforming, one of the primary routes for obtaining hydrogen from ethanol, as well as ethanol oxidation, are highly dependent on the choice of the catalytic system. Therefore, achieving a microscopic understanding of the catalytic process is essential to identify the key physical parameters that determine the success or failure of a given catalyst. In this project, we propose the use of first-principles computational methods to gain an atomistic-level understanding of the catalytic mechanisms involved in hydrogen production from ethanol. This approach has the potential to significantly impact the ethanol-based economy by guiding the design of more efficient and stable catalysts. Note: This FAPESP Young Researcher project was initially conducted at the Institute of Physics of São Carlos and was transferred to the Institute of Chemistry of São Carlos in 2012.

Este projeto foi realizado no National Renewable Energy Laboratory, em colaboração com o Dr. Suhuai Wei. O foco principal foi o estudo da formação de multi-compostos formados pelos óxidos In2O3 e ZnO, materiais amplamente utilizados em dispositivos eletrônicos e fotovoltaicos. Utilizando cálculos de primeiro princípio com a teoria do funcional da densidade, foram investigados a interação entre os componentes desses compostos e como a dopagem e a composição afetam suas propriedades eletrônicas. Além disso, realizamos grandes progressos na explicação da natureza do band gap do In2O3, oferecendo uma compreensão mais aprofundada sobre os mecanismos que governam suas características eletrônicas. Os resultados obtidos forneceram insights valiosos para o desenvolvimento de materiais com maior eficiência para aplicações em dispositivos eletrônicos transparentes, como telas e células solares, além de contribuir para o avanço dos óxidos condutores transparentes em geral.

Este projeto foi realizado no National Renewable Energy Laboratory, em colaboração com o Dr. Suhuai Wei. O objetivo principal foi investigar, por meio de cálculos de primeiro princípio, as propriedades eletrônicas e estruturais dos materiais utilizados no back-contact de células solares de CdTe, visando melhorar sua eficiência. Através da teoria do funcional da densidade, foram analisadas as interfaces entre o CdTe e os materiais condutores (e.g., CuTex), além de como as propriedades desses contatos afetam o desempenho das células solares. O estudo envolveu a análise de diferentes configurações de back-contact, considerando fatores como a formação de defeitos e a interação dos materiais com os elétrons transportados.

Neste projeto foi realizado o estudo das propriedades estruturais, energéticas e eletrônicas dos materiais GeTe, Sb2Te3 e de multi-compostos, como (GeTe)_n(Sb2Te3)_m, com destaque para a composição n = 2 e m = 1, que corresponde ao sistema Ge2Sb2Te5, largamente utilizado em CD, DVDs, e Blue-ray. Este material é de grande interesse devido às suas propriedades de mudança de fase, essenciais para aplicações em memórias de acesso aleatório e outras tecnologias de armazenamento. O trabalho contou com a colaboração de grupos experimentais da Coreia do Sul, que forneceram dados importantes para validar as simulações e previsões feitas. Os resultados obtidos permitiram um aprofundamento no entendimento da relação entre a estrutura dos materiais e suas propriedades de mudança de fase, além de fornecer uma visão mais clara sobre o comportamento eletrônico e energético desses sistemas.

Neste projeto, foi realizado o estudo das propriedades estruturais, energéticas e eletrônicas de óxidos de cério, tanto em sua forma bulk quanto em superfícies. Vários resultados importantes foram obtidos, incluindo o primeiro cálculo com funcional híbrido para os sistemas bulk CeO2 e Ce2O3, utilizando o código VASP. Este estudo permitiu uma análise detalhada das propriedades desses materiais em diferentes estados de oxidação. Além disso, fornecemos contribuições relevantes para o entendimento da localização dos elétrons f em sistemas reduzidos, tanto em bulk quanto em superfícies. Através destes resultados, foi possível explorar de forma mais precisa a natureza das interações eletrônicas e a distribuição dos estados de valência, o que foi crucial para a compreensão do comportamento catalítico e das propriedades de condutividade desses materiais.

Neste projeto (pós-doutorado I), foi realizado o estudo das propriedades estruturais e energéticas de superfícies com steps, com ênfase nas superfícies de Cu(hkl), utilizando a teoria do funcional da densidade (DFT), conforme implementada no código FLEUR (FLPAW). Importantes resultados foram obtidos, incluindo um modelo para estimar a sequência de expansão ou contração das distâncias entre as camadas (layers) em superfícies com steps. Além disso, foi possível calcular a energia de interação entre os steps, o que forneceu uma melhor compreensão das interações locais em superfícies metálicas. Outro resultado relevante foi a demonstração de que a energia necessária para criar uma superfície em sistemas metálicos dependia linearmente do número de ligações quebradas durante sua formação. Este achado foi aplicável a uma ampla gama de materiais metálicos e ofereceu insights valiosos para a engenharia de superfícies e a fabricação de dispositivos com superfícies metálicas bem controladas, com possíveis implicações para a catálise e outros processos industriais que dependem das propriedades das superfícies.

O objetivo deste projeto de doutorado foi em aprofundar o entendimento da interação de gases nobres com superfícies sólidas, um tema de grande relevância em diversas áreas da física de superfícies e da ciência dos materiais. Neste estudo, foram investigados a interação de gases nobres com superfícies metálicas, com foco em metais de transição compactos, como Pt(111), Pd(111), Cu(111), Al(111), Ti(0001) e Mg(0001), utilizando a teoria do funcional da densidade (DFT) e funcionais locais e semi-locais para o funcional de troca e correlação, implementados no código WIEN2k. Além disso, realizamos um estudo detalhado da interação do gás nobre Xenônio (Xe) com a superfície de grafite, um material amplamente utilizado em diversas tecnologias. Através dos diferentes estudos computacionais realizados, foi possível obter importantes avanços no entendimento atômico e molecular da interação entre gases nobres e superfícies sólidas, contribuindo para o desenvolvimento de novas aplicações tecnológicas, como catalisadores e sensores de gases, além de fornecer insights valiosos para futuras investigações experimentais.