From Quantum Mechanics to Catalysis: Studies on the oxidation of alkanes by gold and metal oxides

Abstract

This dissertation focuses on the assessment and development of heterogeneous catalysts for the deperoxidation of cyclohexyl hydroperoxide and oxidation of cyclohexane, which will be based in metal oxides and gold nanoparticles. For this endeavour a multidisciplinary approach will be used combining theoretical chemistry, kinetic studies and synthesis and characterisation of materials. The starting choice for the catalyst to carry out the process is supported gold nanoparticles. The approach of this dissertation is to first model the mecha- nism of cyclohexyl hydroperoxide decomposition and oxidation of cyclohexane on gold nanoparticles by theoretical calculations, and use these findings to synthesise efficient heterogeneous catalysts which will be subsequently tested and optimised experimentally. But as it will be seen, some metal oxides are active rather than acting as mere supports, which will also be studied both theoretical and experimentally.

Each chapter has a specific focus and constitutes a strand of the overall goal:

Chapter 1 provides an introductory background on the topics that this dissertation lies upon: oxidation of cyclohexane, heterogeneous catalysis and catalysis by gold and metal oxides.

Chapter 2 outlines the objectives of the thesis, formulating the relevant hypotheses of this research and the subsequent validation tests.

Chapter 3 exposes the methodology with a brief conceptual background that has been used to carry out this work.

Chapter 4 is the first chapter dealing with results. It consists in a theoretical study using density functional theory of the reaction mechanism over different models of gold nanoparticles, in order to study the influence of several parameters on their catalytic activity: the particle size, atom coordination, and presence of additional species like oxygen atoms and water.

Chapter 5 uses the findings found in chapter 4 to drive the synthesis of supported gold nanoparticles. It consists in a experimental study of gold-based catalysts, which is combined with a theoretical study which takes into account an additional variable: the support.

Chapter 6 exploits one of the findings of chapter 5. One of the supports used for anchoring the gold nanoparticles is active by itself, namely cerium oxide. This chapter comprises an experimental work about its activity, studying parameters like particle size, morphology and the effect of doping.

Chapter 7 continues with the catalytic activity of cerium oxide-based materials, but now from a theoretical point of view. It first presents a systematic study of the parameters relevant for the proper quantum mechanical description of cerium oxide, which is followed by a mechanistic study on different models.

Chapter 8 outlines the conclusions obtained in this dissertation, present- ing them in a summarised way. Even though each chapter presents its corresponding conclusions at its end, this chapter groups them all in a structured way for the reader's convenience, so a global view of the project can be swiftly grasped.

The results herein further the knowledge of heterogeneous catalysis for the oxidation of cyclohexane, one of the most important industrial reactions, and which continues to be a challenge. Although the ultimate goal is to develop an industrial catalyst, the dissertation also aims to show how computational chemistry can drive the design of novel materials, and how it can help to understand catalytic reactions at the atomic level.

El presente trabajo se centra en el estudio y desarrollo de catalizadores heterogéneos para la desperoxidación de ciclohexil hidroperóxido y la oxidación de ciclohexano, basados en óxidos metálicos y nanopartículas de Au. Para lograr tal objetivo se ha usado un enfoque multidisciplinar, que combina química teórica y estudios cinéticos, a la vez que síntesis y caracterización de materiales. El candidato inicial para llevar a cabo el proceso consiste en partículas de Au soportadas. El camino a seguir pasa primero por modelizar el mecanismo de descomposición de ciclohexil hidroperóxido y oxidación de ciclohexano mediante cálculos teóricos, y utilizar el conocimiento generado por este estudio para dictar la síntesis de catalizadores heterogéneos, comprobando y optimizando posteriormente su actividad de forma experimental. Sin embargo, como será visto a lo largo de este trabajo, algunos óxidos metálicos dejan de lado su papel como mero soporte físico para las partículas de Au y son activos por sí mismos. Tal hecho será estudiado tanto teórica como experimentalmente.

Cada capítulo tiene un objetivo específico, y es a su vez una parte del objetivo global de esta investigación:

El capítulo 1 provee al lector de una breve introducción a los temas sobre los que yace este trabajo: oxidación de ciclohexano, catálisis heterogénea y catálisis mediante Au y óxidos metálicos.

El capítulo 2 expone de una forma breve y concisa los objetivos de esta investigación, formulando la hipótesis de partida y los correspondientes experimentos para su validación.

El capítulo 3 describe la metodología utilizada junto a una explicación de los fundamentos en los que se basa cada técnica.

El capítulo 4 es el primer capítulo que discute los resultados obtenidos en esta investigación. Se trata de un estudio usando la teoria del funcional de densidad para investigar el mecanismo de reacción del proceso sobre diferentes modelos teóricos de Au, con el objetivo de comprender la influencia de diversos factores en la actividad catalítica, tales como el tamaño de partícula, la coordinación de los á'tomos de Au y la presencia de especies adicionales como átomos de O y agua.

El capítulo 5 hace uso de los resultados obtenidos en el estudio anterior, y los utiliza para dirigir la síntesis de nanopartículas soportadas de Au. Se trata de un estudio experimental en el que se investigan diversos factores que pueden afectar a su actividad catalítica. Este estudio se combina a su vez con uno de tipo teórico en el que se tiene en cuenta la influencia del soporte en la actividad catalítica de las particulas de Au.

El capítulo 6 se basa en uno de los resultados obtenidos en el capítulo 5. Uno de los soportes utilizados para anclar las partículas de Au resulta de por sí activo: el CeO2. Su notable actividad para catalizar este proceso exige un estudio en mayor profundidad, el cual se lleva a cabo en este capítulo. Parámetros como el tamaño de particula, la morfología de superficie y el dopaje entre otros se investigan en este punto.

El capítulo 7 sigue la estela del trabajo anterior sobre CeO2, pero ahora desde el punto de vista de la química teórica. Presenta primero un estudio sistemático de parámetros relacionados con la mecánica cuá'ntica que afectan al CeO2, con el objetivo de alcanzar una descripción satisfactoria de los modelos teóricos para este óxido. Tras esto, se lleva a cabo un estudio del mecanismo de reacción en dichos modelos de CeO2, a fin de comprender el origen de su actividad catalítica.

El capítulo 8 presenta de forma estructurada y concisa todas las conclusiones que se han sacado a raíz de los resultados obtenidos. Aún a pesar de que cada capítulo presenta sus correspondientes conclusiones al final, aquí se presentan de una forma agrupada a comodidad del lector, para que pueda obtener de forma ágil una visión global de los resultados de esta investigación.

Aquest treball es centra en l'estudi i desenvolupament de catalitzadors hetero- genis per a la desperoxidació de ciclohexil hidroperòxid i la oxidació de ciclohexà, basats en òxids metàl·lics i nanopartícules de Au. Per aconseguir aquest objectiu s'ha utilitzat un enfocament multidisciplinari, en el qual es combinen química teòrica i estudis cinètics amb síntesi i caracterització de materials. El candidat inicial per dur a terme el procés consisteix en partícules de Au suportades. El camí a seguir passa primer per modelitzar el mecanisme de descomposició del ciclohexil hidroperòxid i la oxidació de ciclohexà mitjançant càlculs teòrics, i utilitzar el coneixement generat per aquest estudi per dirigir la síntesi de catalitzadors heterogenis, comprovant i optimitzant posteriorment la seua activitat de forma experimental. No obstant això, com es veurà al llarg d'aquest treball, alguns òxids metàl·lics deixen de costat el seu paper com a suport físic de les partícules de Au y són actius per si mateixos. Aquest fet s'ha estudiat tant teòrica com experimentalment.

Cada capítol té un objectiu específic i és al mateix temps una part de l'objectiu global d'aquesta recerca:

El capítol 1 proporciona al lector una breu introducció als temes tractats en aquest treball: oxidació de ciclohexà, catàlisi heterogènia i catàlisi mitjançant Au i òxids metàl·lics.

El capítol 2 exposa d'una forma breu i concisa els objectius d'aquesta investigació, formulant la hipòtesi inicial i els corresponents experiments per a la seua validació.

El capítol 3 descriu la metodologia utilitzada conjuntament amb una explicació dels fonaments en els quals es basa cada tècnica.

El capítol 4 és el primer capítol que discuteix els resultats obtinguts en aquesta investigació. Es tracta d'un estudi usant la teoria del funcional de densitat per investigar el mecanisme de reacció del procés en diferents models teòrics de Au, amb l'objectiu de comprendre la influència en l'activitat catalítica de diversos factors, com ara la grandària de partícula, la coordinació dels àtoms de Au i la presencia d'espècies addicionals, com àtoms de O i aigua.

El capítol 5 fa ús dels resultats obtinguts en l'estudi anterior, i els utilitza per dirigir la síntesi de nanopartícules suportades de Au. Es tracta d'un estudi experimental en el qual s'investiguen diversos factors que poden afectar a la seua activitat catalítica. Aquest estudi es combina amb un altre de caràcter teòric en el qual es té en compte la influència del suport en la activitat catalítica de les partícules de Au.

El capítol 6 es basa en un dels resultats obtinguts en el capítol 5. Un dels suports utilitzats per fixar les partícules de Au resulta de per si actiu: el CeO2. La seua notable activitat per catalitzar aquest procés demana un estudi de major profunditat, el qual es duu a terme en aquest capítol. Paràmetres com la grandària de partícula, la morfologia de superfície i el dopatge, entre altres, s'investiguen en aquest punt.

El capítol 7 continua l'estudi anterior sobre el CeO2, però ara des del punt de vista de la química teòrica. Presenta en primer lloc un es- tudi sistemàtic de paràmetres relacionats amb la mecànica quàntica que afecten al CeO2, amb l'objectiu d'aconseguir una descripció satisfactòria pels models teòrics d'aquest òxid. Després, es duu a terme un estudi del mecanisme de reacció en aquests models de CeO2, a fi de com- prendre l'origen de la seua activitat catalítica.

El capítol 8 presenta de forma estructurada i concisa totes les conclusions que s'han extret arran dels resultats obtinguts. Encara que cada capí- tol presenta les seues corresponents conclusions al final, ací es presenten d'una forma agrupada per a la comoditat del lector, per què puga obtindre de forma àgil una visió global dels result d'una forma agrupada per a la comoditat del lector, per què puga obtindre de forma à