Nanostructured transition metal carbides as potential catalysts for greenhouse gases conversion

Abstract

Over the recent decades, several studies revealed the precarious climate situation which is threatening all Life forms on earth, including mankind, even if sometimes we tend to ignore the actual fragility of our situation. Ironically, the human species is at the origin of the rapid change on climate, mostly by practicing unsustainable activities, such as the unregulated consumption of fossil fuels, excessive deforestation, extensive agriculture, and intensive livestock. All these practices have increased the concentration of greenhouse gases in the atmosphere, producing a rapid increase in the average Earth temperature with noticeable consequences in our lifetime. Nevertheless, several efforts have been conducted by the scientific community in order to revert the actual climate situation, even if society acts delayed. One of the actual work routes implies the use of catalysts to capture and convert greenhouse gases into less harmful and more useful chemicals. This route has found in transition metal carbides (TMCs) proficient candidates that could have an important impact in the aforementioned matter. An interesting aspect of TMCs is their capacity to catalyse such transformation reactions at low temperatures and to withstand several reaction cycles without degrading. Precisely, the present Thesis unveils and discusses several reaction mechanisms involved in the greenhouse gases transformation reactions held by TMCs, particularly, focusing on MoCy nanoparticles, a largely unexplored field. This Thesis combines experimental and theoretical approaches to explain the observed experimental evidences, where custom synthetized MoC nanoparticle supported on Au(111) are able to activate methane at room temperature, hydrogenate CO2, and act as superior H2 sponges with respect to clean MoC extended surfaces. Moreover, other important findings are revealed, such as the reconstruction held by some transition metal carbides and nitrides surfaces and the intrinsic nature of clean MoC nanoparticles towards hydrogenation reactions. Overall, the present dissertation intends to encourage further efforts on developing TMC based catalyst able to be used at industrial levels. The experimental section of this thesis has been carried out at the Brookhaven National Laboratory by the group of Prof. J. A. Rodriguez, while the computational part and results analysis has been carried out in the present institution, the Universitat de Barcelona. The results obtained have led to several joint publications.

En els darreres dècades, diversos estudis han revelat la precària situació climàtica que està amenaçant totes les formes de vida a la terra, inclosa la humanitat, encara que de vegades tendim a ignorar la fragilitat de la nostra situació. Irònicament, l’espècie humana és l’origen del ràpid canvi climàtic, principalment per practicar activitats insostenibles, com el consum no regulat de combustibles fòssils, la desforestació excessiva, l’agricultura extensiva i la ramaderia intensiva. Totes aquestes pràctiques han augmentat la concentració de gasos d’efecte hivernacle a l’atmosfera, produint un ràpid augment de la temperatura mitjana de la Terra amb conseqüències notables fins i tot durant la nostra vida. No obstant això, la comunitat científica està realitzant diversos esforços per revertir la alarmant situació climàtica, fins i tot si la societat actua amb retard. Una de les rutes de treball implica l’ús de catalitzadors per capturar i convertir els gasos d’efecte hivernacle en productes químics menys nocius i més útils. Aquesta ruta ha trobat en els carburs de metalls de transició (TMC) candidats competents que podrien tenir un impacte important en la reactivitat esmentada. L’aspecte més interessant dels TMCs és la seva capacitat per catalitzar aquestes reaccions de transformació a baixes temperatures i per suportar diversos cicles de reacció sense degradar-se. Precisament, aquesta Tesi revela i analitza diversos mecanismes de reacció implicats en les reaccions de transformació dels gasos d’efecte hivernacle catalitzades pels TMC, concretament, centrant-se en les nanopartícules de MoCy, que encara romanen inexplorades. Aquesta tesi combina enfocaments experimentals i teòrics per explicar les evidències experimentals observades, on les nanopartícules de MoC sintetitzades suportades sobre Au (111) són capaces d’activar el metà a temperatura ambient, hidrogenar CO2 i actuar com a esponges H2 superiors respecte a les superfícies netes de MoC. A més, altres descobriments importants han estat revelats, com ara la reconstrucció d’algunes superfícies de TMC/TMN i la naturalesa química intrínseca de les nanopartícules de MoC netes pel que fa a les reaccions d’hidrogenació. En general, la present dissertació té la intenció de fomentar nous esforços en el desenvolupament de catalitzadors basats en TMCs que puguin ser utilitzats a nivell industrial. La secció experimental d’aquesta tesi s’ha dut a terme al Brookhaven National Laboratory pel grup del professor J. A. Rodriguez, mentre que la part computacional i

l’anàlisi de resultats s’ha dut a terme a la present institució, la Universitat de Barcelona. Els resultats obtinguts han donat lloc a diverses publicacions conjuntes.