Synthesis and Applications of N-Doped Carbon Supported Pd-Based Bimetallic Nanoparticles by Synergistic Chemical and Thermal Modifications of MOFs

[ES] Esta tesis presenta el desarrollo de procesos catalíticos sostenibles mediante el uso de catalizadores heterogéneos avanzados, centrándose en la síntesis de composites derivados de MOFs para la semihidrogenación selectiva de alquinos y la división electroquímica del agua. Inicialmente, se investigó una nueva metodología para convertir PdIn-MOF en nanopartículas soportadas en carbono dopado con nitrogeno. La combinación de tratamientos químico y térmicos permitió obtener el composite PdIn-QT, destacable por su estabilidad y control estructural. Además, el estudio demostró que las propiedades de las nanopartículas y del carbono se pueden controlar ajustando la polaridad del disolvente y seleccionando tipos específicos de aminas. Después de la elaboración de los nuevos precursores basados en MOFs de PdCo y PdMn, se aplicó nuestra estrategia de transformación de MOFs recientemente desarrollada, basada en la combinación de tratamientos químicos y térmicos. Posteriormente, se emplearon estos nuevos catalizadores basados en PdCo, PdMn, y PdIn para la hidrogenación selectiva de fenilacetileno, logrando alta estabilidad y selectividad. En particular, el PdCo-QT mostró un rendimiento excepcional en procesos en continuo en fase gaseosa, subrayándose su potencial para posibles aplicaciones industriales. Finalmente, estos materiales se utilizaron como electrodos y mostraron un rendimiento competitivo en comparación con catalizadores de referencia en las reacciones de evolución de hidrógeno y oxígeno (HER y OER). En particular, PdCo-QT, con su alta eficiencia y estabilidad, demostró un gran potencial para aplicaciones sostenibles en la división del agua. En resumen, este trabajo introduce una nueva familia de catalizadores con propiedades ajustables, adecuados tanto para la catálisis industrial como para aplicaciones en generación de energía limpia.

[CA] Aquesta tesi presenta el desenvolupament de processos catalítics sostenibles mitjançant l'ús de catalitzadors heterogenis avançats, centrant-se en la síntesi de composites derivats de MOFs per a la semihidrogenació selectiva d'alquins i la divisió electroquímica de l'aigua. Inicialment, es va investigar una nova metodologia per a convertir PdIn-MOF en nanopartícules suportades en carboni. La combinació dels tractaments químic i tèrmic va permetre obtindre el composite PdIn-QT, destacat per la seua estabilitat i control estructural. A més, l'estudi va demostrar que les propietats de les nanopartícules i del carboni es controlen ajustant la polaritat del dissolvent i seleccionant tipus específics d'amines. Després de l'elaboració de nous precursors basats en MOFs de PdCo i PdMn, es va aplicar la nostra estratègia de transformació de MOFs recentment desenvolupada, basada en la combinació de tractaments químics i tèrmics. Posteriorment, es van emprar aquestes catalitzadors basats en PdCo, PdMn i PdIn per a la hidrogenació selectiva del fenilacetilè, aconseguint una alta estabilitat i selectivitat. En particular, el PdCo-QT va mostrar un rendiment excepcional en processos en continu en fase gasosa, subratllant-se el seu potencial per a aplicacions industrials. Finalment, aquests materials, quan s'utilitzaren com a elèctrodes, van mostrar un rendiment competitiu en comparació amb els catalitzadors de referència en les reaccions d'evolució d'hidrogen i oxigen (HER i OER). En particular, el PdCo-QT, amb la seua alta eficiència i estabilitat, va demostrar un gran potencial per a aplicacions sostenibles en la divisió de l'aigua. En resum, aquest treball introdueix una nova família de catalitzadors amb propietats ajustables, adequats tant per a la catàlisi industrial com per a aplicacions de generació d'energia neta.

[EN] This thesis develops sustainable catalytic processes using advanced heterogeneous catalysts based on the preparation of MOF-derived composites for selective semi-hydrogenation of alkynes and electrochemical water-splitting applications. Precisely, new methods were followed to transform PdIn-MOF into N-doped carbon-supported nanoparticles. First, a combined chemical and thermal treatment afforded the PdIn-QT composite, which has been distinguished by its stability and structural control. The material was thoroughly compared to the material resulting from the traditional direct pyrolysis method. Then, the study demonstrates that the properties of nanoparticles and carbon can be improved by optimizing solvent polarity and the type of amines involved during the chemical transformation. Later, after the elaboration of the new PdCo, and PdMn MOF precursors, our newly developed MOF transformation strategy was applied. The resulting PdCo, PdMn, and PdIn-based catalysts were used in the selective hydrogenation of phenylacetylene. They showed excellent selectivity at quantitative conversion levels, with high stability. Among them, PdCo-QT showed excellent activity in continuous gas-phase processes, indicating its potential in industrial applications. Lastly, the first-row transition metal-based materials were tested as electrodes and showed competitive performance against benchmark catalysts in hydrogen and oxygen evolution reactions (HER and OER). Specifically, PdCo-QT showed highly efficient and stable performance, with great potential for sustainable water-splitting applications. In conclusion, this study reports on a new family of tunable catalysts suitable for both industrial catalysis and clean energy applications.