Estabilidad y reactividad de pequeños aglomerados atómicos (AQC)

Abstract

Se propone el estudio de la estabilidad de pequeños aglomerados atómicos (atomic quantum clusters - AQC) frente a su interacción con diferentes sustratos, especialmente sobre estructuras inertes y compactas como la de los grafenos, y su reactividad frente a diferentes moléculas como oxígeno y monóxido de carbono. Se pretende establecer un marco original de conocimiento sobre la estructura atómica y electrónica de los AQC y sobre su estabilidad y reactividad, mediante un estúdio experimental exhaustivo por técnicas avanzadas de caracterización, con el complemento de simulaciones computacionales. Se explorarán las aplicaciones de los AQC para diferentes reacciones de interés en catálisis, como la oxidación de CO o la reacción de "water gas shift". 1) estudio de la interacción con el soporte de AQC de Cu y de Ag: a) Se estudiarán el efecto de la interacción con el soporte en las características estructurales y electrónicas de AQC de Cu y Ag mediante técnicas de espectroscopía de absorción de rayos X (EXAFS y XANES) y espectroscopía de fotoemisión de electrones (XPS). En una primera etapa se estudiarán AQC de 5 átomos de Cu (Cu5) y de 5 átomos de Ag (Ag5). Se utilizarán dos tipos de soportes: i) a base de carbono para minimizar la interacción y ofrecer una superficie compacta que impida la difusión hacia el interior del volumen, como HOPG, grafito, óxido de grafeno (GO) y óxidos de grafeno reducido (rGO) y ii) diferentes tipos óxidos que presentan una interacción más fuerte (CeO2, TiO2, Al2O3, SiO2 y sistemas micro y mesoporosos de dichos óxidos) para impedir la movilidad y posterior aglomeración de los AQC. 2) Caracterización de AQC en condiciones controladas de temperatura y fase gaseosa. a) Estudios in situ de AQC de Cu y Ag soportados en diferentes condiciones de temperatura y presión mediante técnicas de espectroscopía de absorción de rayos X (EXAFS y XANES). Se estudiará la estabilidad y reactividad en presencia O2, H2O, CO e H2 en función de la temperatura. b) Estudios in situ de AQC de Cu y Ag soportados en condiciones controladas de presión y temperatura mediante XPS a alta presión. 3) Los resultados obtenidos para AQC caracterizados estructural y electrónicamente en las condiciones de los objetivos 1 y 2 serán simulados mediante métodos ab initio y DFT con el propósito de obtener una descripción teórica de dichos sistemas. a) Se generarán mediante protocolos del tipo DFT las estructuras más estables de AQC de Cu y Ag en diferentes configuraciones: vacío, agua y con interacción con diferente número de moléculas de O2 y/o H2O. b) Se simularán con diferentes códigos los espectros de absorción de rayos X (XANES y EXAFS) a partir de los AQC obtenidos en a) para cotejar dichas predicciones con los resultados experimentales. 4) Se evaluarán las propiedades catalíticas de AQCs para diferentes reacciones catalíticas: a) Se estudiará la oxidación de CO a CO2 por O2 en fase gaseosa empleando AQC soportados. b) Reacción de water gas shift para la producción de H2 por AQC soportados.