Transition metal carbides as active phase and as support in catalysis: Insights from first principles theoretical modelling

Abstract

Els carburs de metalls de transició (TMC) exhibeixen propietats químiques i catalítiques similars a les dels costosos metalls nobles. La conversió d'alcohol, hidrogenació d'olefines i altres reaccions importants han demostrat l'aplicabilitat d'aquests compostos en processos industrials. També se sap que nanopartícules de metalls nobles (NMNPs) mostren una alta activitat catalítica tot i la baixa o nul • la reactivitat del metall sòlid. A més, investigacions recents assenyalen que els suports de TMC polaritzen la densitat electrònica de NMNPs adsorbits i augmenten l'activitat catalítica respecte als suports més tradicionals d'òxid metàl • lic. Aquests descobriments recents han inspirat el treball presentat en aquesta tesi, realitzat mitjançant tècniques actuals de la química quàntica. S'ha estudiat CO, CO2, H2, H2O adsorbits sobre TiC i sobre petits clústers d'or adsorbits en el suport. S'ha considerat la superfície (001), terrasses, esglaons monoatòmics i defectes, i també la reactivitat de les molècules adsorbides sobre la superfície neta de TiC (001) i en dos clústers d'or, Au4 i Au6, adsorbits. Les barreres energètiques calculades per a la formació de metà o formaldehid a partir de gas de síntesi, en TiC (001) resulten ser massa altes i aquests processos són inviables sobre el suport net. Sobre els clústers d'or suportats sobre TiC (001) hi ha una major activitat catalítica, però la reacció continua sent altament impedida. No obstant això, la reacció de desplaçament del gas d'aigua es preveu que sigui ràpida en el sistema Au4/TiC (001), superant els catalitzadors utilitzats normalment en la indústria. Experiments recents mostren que els clústers de Ni, Cu i Au estan fortament deformats un cop adsorbits sobre TMC, donant lloc a catalitzadors molt actius. S'ha investigat la interacció dels àtoms amb la fase delta de MoC. La interacció és més forta pel recobriment més baix considerat, la relaxació de la superfície és important i l'activitat es preveu que augmenti en l'ordre Ni> Cu> Au. Finalment, s'han considerat possibles reconstruccions no polars per a la superfície (001) de Mo2C centrant-se en l'energia d’escissió, la qual és proporcional a l'estabilitat de cada tipus de terminació. Les reconstruccions no polars disminueixen l'energia d’escissió, confirmant l'aplicabilitat dels conceptes clàssics de Tasker per a òxids als TMC.

Los carburos de metales de transición (TMC) exhiben propiedades químicas y catalíticas similares a las de los costosos metales nobles. La conversión de alcohol, hidrogenación de olefinas y otras reacciones importantes han demostrado la aplicabilidad de estos compuestos en procesos industriales. También se sabe que nanopartículas de metales nobles (NMNPs) muestran una alta actividad catalítica a pesar de la baja o nula reactividad del metal sólido. Además, investigaciones recientes señalan que los soportes de TMC polarizan la densidad electrónica de NMNPs adsorbidos y aumentan la actividad catalítica respecto a los soportes más tradicionales de óxido metálico. Estos descubrimientos recientes han inspirado el trabajo presentado en esta tesis, realizado mediante técnicas actuales de la química cuántica. Se ha estudiado CO, CO2, H2, H2O adsorbidos sobre TiC y sobre pequeños clusters de oro adsorbidos sobre el suport. Se ha considerado la superficie (001), terrazas, escalones monoatómicos y defectos y, también, la reactividad de las moléculas adsorbidas sobre la superficie limpia de TiC (001) y en dos clusters de oro, Au4 y Au6, adsorbidos. Las barreras energéticas calculadas para la formación de metano o formaldehído a partir de gas de síntesis en la superficie limpia de TiC (001) resultan ser demasiado altas y esos procesos son inviables sobre el soporte limpio. Sobre los clusters de oro soportados sobre TiC (001) hay una mayor actividad catalítica, pero la reacción continúa siendo altamente impedida. Sin embargo la reacción de desplazamiento del gas de agua se prevé que sea rápida en el sistema Au4/TiC (001), superando los catalizadores utilizados normalmente en la industria. Experimentos recientes muestran que los clusters de Ni, Cu y Au están fuertemente deformados una vez adsorbidos sobre TMC dando lugar en catalizadores muy activos. Se ha investigado la interacción de los átomos con la fase delta del catalizador de MoC. La interacción es más fuerte para el recubrimiento más bajo considerado, la relajación de la superficie es importante y la actividad se prevé que aumente en el orden Ni> Cu> Au. Finalmente, se han considerado posibles reconstrucciones no polares para la superficie (001) de Mo2C centrándose en la energía de escisión, que es proporcional a la estabilidad de cada tipo de terminación. Las reconstrucciones no polares disminuyen la energía de escisión, confirmando la aplicabilidad de los conceptos clásicos de Tasker para óxidos a los TMC.

Carbides of the early transition metals (TMC) exhibit chemical and catalytic properties that in many aspects are very similar to those of expensive noble metals. Alcohol conversion, hydrogenation of olefins and many others important reactions demonstrated the applicability of these compounds for industrial processes. It is also known that small noble metal nanoparticles (NMNPs) show high catalytic activity despite of the poor reactivity or inertness of the bulk metal. Additionally, recent investigations pointed out that supporting TMCs polarize the electron density of adsorbed NMNPs increasing the catalytic activity respect to more traditional metal oxide supports. These recent discoveries inspired the work reported in this thesis using state-of-the-art quantum chemical techniques. We studied CO, CO2, H2, H2O molecules adsorbed on TiC and on small gold clusters adsorbed thereon. We considered the (001) extended surface, terraces, monatomic steps and kink defective sites. The reactivity of adsorbed molecules on the clean TiC (001) surface and on two gold clusters, Au4 and Au6, adsorbed thereon were also studied. Energy barriers calculated for methane or formaldehyde formation from syngas, on the clean TiC (001) surface were by far too high and those processes are unviable on the clean support. Gold clusters supported by TiC (001) show higher catalytic activity but the reaction continues to be highly hindered. However water gas shift reaction is predicted to be fast on the Au4/TiC(001) system, overtaking catalysts normally used in industry. Recent experiments show that Ni, Cu and Au clusters are strongly perturbed upon adsorption on TMC resulting in extremely active catalysts. We investigated the interaction of those atoms with the delta phase of the MoC catalyst. The interaction is stronger for the lowest coverage considered, the relaxation of the surface important and the activity is predicted to increase in the order Ni>Cu >Au. Finally, we have studied possible non-polar reconstructions of the (001) surface of Mo2C focusing on the cleavage energy, proportional to the stability of each type of termination. The non-polar reconstructions decreased the calculated cleavage energy, confirming the applicability of the classical Tasker’s concepts for oxides to TMCs.