Diseño computacional de catalizadores: efecto promotor del potasio en la reacción de WGS sobre sistemas metálicos, óxidos y mixtos

Abstract

En este trabajo se ha profundizado en el estudio del diseño de nuevos catalizadores para la reacción de desplazamiento de agua, WGS, utilizando como promotor un metal alcalino. En el capítulo 1, se realiza una breve introducción general a los conceptos básicos de la catálisis heterogénea utilizados a lo largo de la discusión de los resultados de la memoria, y se expone la motivación y objetivos de este trabajo. En el capítulo 2, se explica la metodología utilizada para llevar a cabo este estudio computacional mediante la teoría del funcional de densidad, DFT, y se ponen de manifiesto las aproximaciones y detalles computacionales más relevantes. Pasando a los resultados, en el capítulo 3 se analizan los antecedentes y la interacción de los metales alcalinos, excepto el francio, sobre la superficie de óxido de titanio rutilo (110) y se estudia en profundidad la localización electrónica de las especies generada por dicha interacción Ti3+ y el efecto provocado por la variación del cubrimiento del metal alcalino. Dichos metales disminuyen su interacción al aumentar el cubrimiento debido al aumento de la repulsión electrostática. Los capítulos 4 y 5 se centran en el estudio de reactividad en los catalizadores con base metálica de cobre y oro, con presencia de potasio y de hidróxido de potasio, para considerar el medio hidratado que suele producirse en las condiciones de reacción. Observándose el efecto beneficioso del potasio en ambos casos. En el caso del cobre, la reactividad se dispara en ambiente seco y se suaviza en ambiente húmedo, debido a la migración de la carga del metal a los grupos hidroxilos. En el sistema con soporte de oro, la presencia de potasio permite que se produzca la reacción, aunque con niveles pobres de energía, y en el modelo hidroxilado aumenta la reactividad debido al aumento de la interacción electrostática del agua en la interfase KOH/Au y a la disminución de la carga negativa del oro, que va a los hidroxilos, y favorece la adsorción del CO. Por último, en el capítulo 6, se analiza el efecto promotor del potasio en el catalizador mixto, formado por óxido de titanio y una nanopartícula de cobre, Cu8/TiO2. Los resultados reflejan que el potasio es un buen promotor de la reacción de WGS, debido a que reduce la superficie, favorece la disociación de agua y disminuye la energía de desorción del hidrógeno. Así mismo, la nanopartícula metálica favorece la adsorción del monóxido La presencia del K en el catalizador mixto crea interfases (K/metal/óxido) a escala nanométrica que generan sitios de alta reactividad en los que se producen sinergias no alcanzables de otro modo.