Computational Design of Catalysts for Carbon Dioxide Recycling

Abstract

La utilització del diòxid de carboni com a substrat s'ha convertit en una estratègia popular des d'una perspectiva ambiental i econòmica per mitigar les emissions de CO2 a l'atmosfera i, al mateix temps, reduir la dependència del petroli per proporcionar substrats amb carboni. L'activació del diòxid de carboni és un procés complicat a causa de la seva estabilitat. El disseny de nous catalitzadors és una tasca complexa que requereix la combinació de tècniques experimentals i teòriques. Una d'aquestes és la modelització molecular, que permet descriure detalladament el sistema i comprendre com es comporta, o com té lloc un mecanisme de reacció. La combinació de dos factors, com l'augment de la potència computacional i la millora de l'eficiència dels algoritmes, ens permet estudiar grans sistemes amb un nivell raonable de precisió, imitar les condicions experimentals i, en conseqüència, obtenir informació crucial. En aquesta Tesi estudiem computacionalment diverses reaccions on es fa servir diòxid de carboni com a substrat. Descrivim detalladament el mecanisme de reacció tenint en compte els resultats experimentals proporcionats pels nostres col·laboradors. Els nostres resultats contribueixen a entendre millor com funcionen les reaccions de fixació de CO2 i, en conseqüència, pot ajudar al disseny racional de nous i més actius catalitzadors per a reaccions que involucren CO2 o substrats similars.

La utilización del dióxido de carbono como sustrato se ha convertido en una popular estrategia desde una perspectiva ambiental y económica para mitigar las emisiones de CO2 a la atmósfera y, al mismo tiempo, reducir la dependencia del petróleo para proporcionar sustratos con carbono. La activación del dióxido de carbono es un proceso complicado debido a su estabilidad. El diseño de nuevos catalizadores es una tarea compleja que requiere la combinación de técnicas experimentales y teóricas. Una de estas es la modelización molecular, que permite describir detalladamente el sistema y comprender cómo se comporta, o cómo tiene lugar un mecanismo de reacción. La combinación de dos factores, como el aumento de la potencia computacional y la mejora de la eficiencia de los algoritmos, nos permite estudiar grandes sistemas con un nivel razonable de precisión, imitar las condiciones experimentales y, en consecuencia, obtener información crucial. En esta Tesis estudiamos computacionalmente varias reacciones en las que se usa dióxido de carbono como sustrato. Describimos detalladamente el mecanismo de reacción teniendo en cuenta los resultados experimentales proporcionados por nuestros colaboradores. Nuestros resultados contribuyen a comprender mejor cómo funcionan las reacciones de fijación de CO2 y, en consecuencia, puede ayudar en el diseño racional de nuevos y más activos catalizadores para reacciones que involucran CO2 o sustratos similares.

The utilization of carbon dioxide as chemical substrate has become a popular strategy from an environmental and economic perspective to mitigate CO2 emissions to the atmosphere and, at the same time, reduce the petroleum dependency to provide carbon based substrates. The activation of carbon dioxide is not a straightforward process. The design of new catalysts is a complex task that requires the combination of several experimental and theoretical techniques. One of the most relevant is molecular modelling, which allow to describe the system in detail and to understand how the system behaves or how a reaction mechanism takes place. Nowadays, the combination of two factors, being the increase of the computational power and the improved efficiency of the theoretical algorithms, enable computational chemists to study large systems at a reasonable level of accuracy, to mimic the experimental conditions, and consequently, obtain crucial information on the studied system. In this Thesis we studied computationally several reactions where carbon dioxide was used as substrate. We described in detail the reaction mechanism for all cases, taking into consideration the experimental results provided by our collaborators. The results collected in this Thesis contribute to understand better how important CO2 fixation reactions work and consequently, these results may help in the rational design of new and more active catalysts for this type of reactions involving CO2 or substrates of similar properties.