A First Principles Investigation of the Adsorption and Reactions of Polyfunctionalized Molecules on Oxides and Metals

Abstract

En aquesta Tesi, hem estudiat l'adsorció en òxids i metalls mitjançant simulacions basades en la Teoria del Funcional de Densitat considerant una correcció semiempírica per a la dispersió. En primer lloc, s'han investigat els rutils, que tenen la mateixa cel·la unitat i poden barrejar-se obtenint noves propietats. En presència d'impureses, es troben semiconductors adsorbits i complexos metàl·lics en el bulk, revertint l'oxígen aquest comportament. A mes, es pot fer crèixer, de forma epitaxial, qualsevol rutil damunt d'un altre. A continuació, s'ha estudiat l'adsorció d'alcohols en Titania. Els nostres resultats indiquen que tant les energies com les geometries d'adsorció no són escalables amb la longitut de cadena i el nombre d'hidroxils. Aquesta situació prevé de l'utilització de petits alcohols com a substituents. A continuació, s'ha analitzat la conversió del glicol d'etilè y el 1-3-propanediol en alquens en superfícies de TiO2. El primer evoluciona fàcilment a productes, mentre que el darrer passa a través d'un producte intermig d'alta energia. El proçés no és catalític doncs una vacant està ocupada després de cada cicle. Amb el d'avaluar l'efecte de l'aigua, s'ha investigat la hidrofobicitat d'òxids de terres rares. La raó darrere d'aquesta propietat és la particular disposició de l'aigua, relacionada amb la distància entre ions a la superfície. Finalment, hem obtingut nous paràmetres per a les correccions de dispersió en metalls a partir de la polaritzabilitat calculada. El mètode emprat és el de primers principis que pot ser utilitzat en el cas de superfícies amb defectes.

En esta Tesis, hemos estudiado la adsorción en óxidos y metales mediante simulaciones basadas en la Teoría del Funcional de Densidad considerando una corrección semipempírica para la dispersión. Primero, se han investigado los rutilos, que tiene la misma celda unidad y pueden mezclarse obteniendo nuevas propiedades. En presencia de impurezas, se encuentran semiconductores adsorbidos y complejos metálicos en el bulk, revertiendo el oxígeno este comportamiento. Además, se puede hacer crecer, de forma epitaxial, cualquier rutilo encima de otro. A continuación, se ha estudiado la adsorción de alcoholes en Titania. Nuestros resultados indican que tanto las energías como las geometrías de adsorción no son escalables con la longitud de cadena y el número de hidroxilos. Esta situación previene de la utilización de pequeños alcoholes como sustitutos. A continuación, se ha analizado la conversión del glicol de etileno y el 1-3-propanediol en alquenos en superficies de TiO2. El primero evoluciona fácilmente a productos, mientras que el último pasa a través de un producto intermedio de alta energía. El proceso no es catalítico puesto que una vacante está ocupada después de cada ciclo. Con el finn de evaluar el efecto del agua, se ha investigado la hidrofobicidad de óxidos de tierras raras. La razón detrás de esta propiedad es la particular disposición del agua, relacionada con la distancia entre iones en la superficie. Finalmente, hemos desarrollado nuevos parámetros para las correcciones de dispersión en metales a partir de la polarizabilidad calculada. El método empleado es el de primeros principios que puede ser utilizado en el caso de superficies con defectos.

In this Thesis, we have studied the adsorption on oxides and metals by means of Density Functional Theory simulations plus a semiempirical correction for dispersion. First we have investigated rutiles, which have the same unit cell and can be mixed with new properties. When impurities are present, semiconductors are found on the surface and metallic compounds in the bulk and oxygen reverse this behaviour. Also, we can epitaxially grow any rutile on top of another. Next we have addressed the adsorption of alcohols on Titania. Our results indicate that both the energies and the geometries of adsorption are not scalable with the chain length and the number of hydroxyls. This warns against the use of small alcohols as surrogates. Afterwards,the conversion of ethylene glycol and 1,3-propanediol to alkenes on TiO2 has been analyzed. The former evolves easily to the products while the latter pass through a high energy intermediate. The process is not catalytic, since a vacancy is healed after each cycle. To assess the effect of the water environment, we have investigated the hydrophobicity of Rare-Earth Oxides. The reason behind this property is the particular water arrangement which is related to the distance between the surface ions. We altered such motif doping the surface thus modifying the mean distance between the ions. Finally, we developed new parameters for dispersion corrections in metals from the computed polarizability. The procedure is rst principles and can be employed in defective surfaces.