Computational study of heterogeneous catalytic systems. Kinetic and structural insights from Density Functional Theory

Abstract

[ES] En este trabajo estudiamos dos reacciones catalíticas relevantes para la industria y la localización del anión fluoruro en la zeolita RTH, sintetizada en medio fluoruro. El capítulo 3 es el primer capítulo de resultados, donde se estudia la reducción quimioselectiva del nitroestireno en las superficies Ni(111), Co(111), Cu(111) y Pd(111). El mecanismo generalmente aceptado de esta reacción está basado en el esquema propuesto por Haber en 1898, en el que la reacción puede transcurrir por dos rutas, la directa y la de condensación. En este capítulo exploramos ambas rutas, y observamos que la ruptura de los enlaces N-O y la consecuente formación de enlaces metal-O está más favorecida que la formación de enlaces N-H en las superficies Ni(111) y Co(111), debido al carácter oxofílico de ambos metales. Las etapas más lentas involucran la formación de enlaces N-H. En las superficies de metales nobles como Pt(111) y Pd(111) se observa el comportamiento contrario. La superficie Cu(111) es un caso intermedio comparado con los metales nobles y no nobles. Además, el nitroestireno interactúa con los átomos de Cu de la superficie solo a través de grupo nitro, con lo cual es un candidato ideal para alcanzar selectividades cerca del 100%. Sin embargo, la superficie Cu(111) no es capaz de activar la molécula de H2. En este sentido, proponemos un catalizador bimetálico basado en Cu, dopado con otro metal capaz de activar al H2, tales como el Pd o el Ni. En los capítulos 4 y 5 se ha estudiado la reducción catalítica selectiva de los óxidos de nitrógeno (SCR, en inglés) con amoníaco. Usando métodos de DFT, hemos encontrado rutas para la oxidación de NO a NO2, nitritos y nitratos con energías de activación relativamente bajas. También, hemos encontrado que la reducción de Cu2+ a Cu+ requiere la participación simultánea de NO y NH3. Posteriormente, hemos estudiado la influencia del NH3 en este sistema con métodos de dinámica molecular. El NH3 interacciona fuertemente con el Cu+ de forma que dos moléculas de este gas son suficientes para romper la coordinación del catión Cu+ con los oxígenos del anillo 6r, y formar el complejo lineal [Cu(NH3)2]+. Además, los cationes Cu2+ pueden ser estabilizados fuera de la red mediante la formación del complejo tetraamincobre(II). Debido a la presencia de los cationes Cu+ y Cu2+ coordinados a la red de la zeolita, aparecen bandas en la región entre 800-1000 cm-1 del espectro infrarrojo. El análisis de las frecuencias IR de varios modelos con Cu+ y Cu2+ coordinados al anillo 6r, o formando complejos con amoniaco indica que cuando los cationes Cu+ y Cu2+ están coordinados a los oxígenos del anillo 6r aparecen vibraciones entre 830 y 960 cm-1. Frecuencias en esta zona también se obtienen en los casos en que NO, NO2, O2 y combinaciones de dos de ellos están adsorbidos en Cu+ y Cu2+. Sin embargo, cuando los cationes Cu+ y Cu2+ están fuera del anillo (no hay enlaces entre los cationes de cobre y los oxígenos del anillo 6r) no se obtienen vibraciones de IR en esta región del espectro. Estos resultados indican que con el seguimiento del espectro IR durante la reacción SCR es posible determinar si los cationes Cu+ y Cu2+ están coordinados o no al anillo de 6r en las etapas de oxidación y reducción. Por último, hemos simulado el desplazamiento químico de 19F, δiso,, en la zeolita sintetizada RTH. El análisis del δiso de los distintos modelos utilizados nos ha permitido reconocer la simetría del material sintetizado, el cual pertenece al grupo espacial P1 y la nueva celda unidad ha sido confirmada experimentalmente por difracción de rayos X. Finalmente, hemos asignado la señal experimental que aparece en el espectro de 19F a -67.2_ppm, al F- localizado en un sitio T2, el cual es a su vez la posición más estable. Además, la señal a -71.8 ppm se ha asignado al anión F- localizado en un sitio T4.

[CA] En aquest treball estudiem dues reaccions catalítiques rellevants per a la indústria i la localització de l'anió fluorur en la zeolita RTH, sintetitzada al mig fluorur. El capítol 3 és el primer capítol de resultats, on s'estudia la reducció quimioselectiva del nitroestireno en les superfícies Ni(111), Co(111), Cu(111) i Pd(111). El mecanisme generalment acceptat d'aquesta reacció està basat en l'esquema proposat per Haver-hi en 1898, en el qual la reacció pot transcórrer per dues rutes, la directa i la de condensació. En aquest capítol explorem totes dues rutes, i observem que la ruptura dels enllaços N-O i la conseqüent formació d'enllaços metall-O està més afavorida que la formació d'enllaços N-H en les superfícies Ni(111) i Co(111), a causa del caràcter oxofílico de tots dos metalls. Les etapes més lentes involucren la formació d'enllaços N-H. En les superfícies de metalls nobles com Pt(111) i Pd(111) s'observa el comportament contrari. La superfície Cu(111) és un cas intermedi comparat amb els metalls nobles i no nobles. A més, el nitroestireno interactua amb els àtoms de Cu de la superfície sol a través de grup nitre, amb la qual cosa és un candidat ideal per a aconseguir selectivitats prop del 100%. No obstant això, la superfície Cu(111) no és capaç d'activar la molècula d'H2. En aquest sentit, proposem un catalitzador bimetàl·lic basat en Cu, dopat amb un altre metall capaç d'activar a l'H2, com ara el Pd o el Ni. En els capítols 4 i 5 hem estudiat la reducció catalítica selectiva dels òxids de nitrogen (SCR, en anglés) amb amoníac. Usant mètodes de DFT, hem trobat rutes per a l'oxidació de NO a NO2, nitrits i nitrats amb energies d'activació relativament baixes. També, hem trobat que la reducció de Cu2+ a Cu+ requereix la participació simultània de NO i NH3. Posteriorment, hem estudiat la influència del NH3 en aquest sistema amb mètodes de dinàmica molecular. El NH3 interacciona fortament amb el Cu+ de manera que dues molècules d'aquest gas són suficients per a trencar la coordinació del catió Cu+ amb els oxígens de l'anell 6r, i formar el complex lineal [Cu(NH3)2]+. A més, els cations Cu2+ poden ser estabilitzats fora de la xarxa mitjançant la formació del complex tetraamincobre(II). A causa de la presència dels cations Cu+ i Cu2+ coordinats a la xarxa de la zeolita, apareixen bandes a la regió entre 800-1000 cm-1 de l'espectre infraroig. L'anàlisi de les freqüències IR de diversos models amb Cu+ i Cu2+ coordinats a l'anell 6r, o formant complexos amb amoníac indica que quan els cations Cu+ i Cu2+ estan coordinats als oxígens de l'anell 6r apareixen vibracions entre 830 i 960 cm-1. Freqüències en aquesta zona també s'obtenen en els casos en què NO, NO2, O2 i combinacions de dues d'ells estan adsorbidos en Cu+ i Cu2+. No obstant això, quan els cations Cu+ i Cu2+ estan fora de l'anell (no hi ha enllaços entre els cations de coure i els oxígens de l'anell 6r) no s'obtenen vibracions d'IR en aquesta regió de l'espectre. Aquests resultats indiquen que amb el seguiment de l'espectre IR durant la reacció SCR és possible determinar si els cations Cu+ i Cu2+ estan coordinats o no a l'anell de 6r en les etapes d'oxidació i reducció. Finalment, hem simulat el desplaçament químic de 19F, δiso, en la zeolita sintetitzada RTH. L'anàlisi del δiso dels diferents models utilitzats ens ha permés reconéixer la simetria del material sintetitzat, el qual pertany al grup espacial P1 i la nova cel·la unitat ha sigut confirmada experimentalment per difracció de raigs X. Finalment, hem assignat el senyal experimental que apareix en l'espectre de 19F a -67.2 ppm, al F- localitzat en un lloc T2, el qual és al seu torn la posició més estable. A més, el senyal a -71.8 ppm s'ha assignat a l'anió F- localitzat en un lloc T4.

[EN] In this work, we have studied two heterogeneous catalytic reactions and the localization of the fluoride anion in the as-made RTH framework, synthesized in fluoride medium. The first results, included in chapter 3, correspond to the chemoselective reduction of nitrostyrene on different metal surfaces, i.e, Ni(111), Co(111), Cu(111) and Pd(111). Until very recently, the reduction of the nitro group was explained on the basis of the general mechanism proposed by Haber in 1898 where the reaction can follow two routes, the direct and condensation route. We have explored the relevant elementary steps of both routes and found that because of the oxophilic nature of Ni and Co, the steps involving the dissociation of N-O bonds and formation of metal-O bonds are significantly favored compared with the other steps on both metal surfaces. In addition, the most demanding steps in terms of energy involve the formation of N-H bonds. These findings are in contrast to those of noble metals such as Pt and Pd, where the opposite behavior is observed. The behavior of Cu(111) lies in between the aforementioned cases, and also no chemical bonds between the carbon atoms of the aromatic ring of nitrostyrene and the Cu(111) surface is formed. For this reason, it might be an ideal candidate to achieve nearly 100 % selectivity. However, the Cu(111) surface does not seem to activate the H2 molecule. In this regard, we propose a bimetallic Cu-based catalyst whose surface is doped with atoms of a H2-activating metal, such as Ni or Pd. On another matter, we have also investigated the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR-NOx) and the main results are presented in the following two chapters, 4 and 5. By using static DFT methods, we found pathways for the oxidation of NO to NO2, nitrites and nitrates with relatively low activation energies. We also found, in agreement with experimental reports, that the reduction of Cu2+ to Cu+ requires the simultaneous participation of NO and NH3. Later, molecular dynamics simulations allowed us to assess the influence of NH3. The strong interaction of NH3 with the Cu+ cation is evidenced by its ability to detach Cu+ from the zeolite framework and form the mobile linear complex [Cu(NH3)2]+. Cu+ is no longer coordinated to the zeolite framework in the presence of two NH3 molecules. This observation and the fact that the T-O-T vibrations of the framework produce bands in the 800-1000 cm-1 region of the IR spectrum when perturbed by the coordination of Cu+ and Cu2+ cations, indicate that bands in the 800-1000 cm-1 regions should be observed when both copper cations are bonded to the framework oxygens. Finally, we have also studied NMR properties of the as-made pure silica RTH framework, aiming at locating the compensating fluoride anion. The calculation of the 19F chemical shift in different T sites and comparison with the experimental NMR spectra shows that the as-made RTH belongs to the P-1 space group with 16 Si, 32 O atoms, one fluoride anion and one OSDA cation. These results have been confirmed experimentally by XRD. In addition, we have assigned the experimental signal of 19F at -67.2 ppm to the fluoride anion in a T2 site, which in turn is the most stable location found, and the signal of -71.8 ppm to a fluoride anion sitting in a T4 site.