Modelling of catalytic systems towards green fuels

Abstract

El creixement de la població global, l'augment insostenible de la demanda energètica i les emissions de CO2, ens obliguen a avançar cap a models socioeconòmics més respectuosos amb el medi ambient per contrarestar els efectes del canvi climàtic. En aquest context, el desenvolupament d’energies renovables i la valorització del CO2 jugaran un paper fonamental. Per tal que aquests dos processos siguin viables, he utilitzat simulacions de la teoria del funcional de densitat i he establert sinergies amb assajos experimentals per contribuir al disseny de nous materials catalítics per la producció de combustibles verds. He estudiat les propietats electrocatalítiques del MOF-74 per a la reacció d'evolució de l'oxigen, que és el pas limitant de la producció d'H2 verd mitjançant l’electròlisi de l'aigua. Defectes estructurals estat identificats com els llocs actius d'aquests materials. Pel que fa la valorització del CO2, he explorat les relacions entre la síntesi, l'estructura i l’activitat catalítica de tres sistemes basats en òxids promoguts per metalls: ZnZrOx, M-In2O3 i Pd-In2O3/ZrO2. Aquests sistemes han mostrat propietats catalítiques òptimes per la hidrogenació de CO2 amb H2 verd per obtenir metanol, que és una matèria primera vital. La combinació de fases oxídiques i metàl·liques ha estat identificada com el punt clau per maximitzar les propietats catalítiques d'aquests sistemes. En general, en aquesta tesi s’han trobat les característiques que determinen l'activitat electrocatalítica dels materials MOF-74 per la reacció d'evolució de l'oxigen i les propietats termocatalítiques dels òxids promoguts per metalls per la hidrogenació de CO2. Això obre el camí al disseny de nous materials catalítics per aplicacions energètiques.

El crecimiento de la población global, el aumento insostenible de la demanda energética y las emisiones de CO2, nos obligan a avanzar hacia modelos socioeconómicos más respetuosos con el medio ambiente para contrarrestar los efectos del cambio climático. En este contexto, el desarrollo de energías renovables y la valorización del CO2 jugarán un papel fundamental. Para que estos dos procesos sean viables, he utilizado simulaciones de la teoría del funcional de densidad y he establecido sinergias con ensayos experimentales para contribuir al diseño de nuevos materiales catalíticos. He estudiado las propiedades electrocatalíticas del MOF-74 para la reacción de evolución del oxígeno, que es el paso limitante de la producción de H2 verde mediante la electrólisis del agua y se han identificado defectos estructurales como los sitios activos de estos materiales. En referencia a la valorización del CO2, he explorado las relaciones entre la síntesis, la estructura y la actividad catalítica de tres sistemas basados en óxidos promovidos por metales: ZnZrOx, M-In2O3 y Pd-In2O3/ZrO2. Estos sistemas tienen propiedades catalíticas óptimas para la hidrogenación de CO2 con H2 verde a metanol, que es una materia prima vital. La combinación de fases oxídicas y metálicas ha sido identificada como el punto clave para maximizar las propiedades catalíticas de estos sistemas. En general, se han encontrado las características que determinan la actividad electrocatalítica de los materiales MOF-74 para la reacción de evolución del oxígeno y las propiedades termocatalíticas de los óxidos promovidos por metales para la hidrogenación de CO2. Esto abre el camino al diseño de nuevos materiales para aplicaciones energéticas.

With the current growth of the global population and the unsustainable increase of the energy demand and CO2 emissions, we need to move forward to more environmentally friendly socialeconomic models to mitigate the effects of climate change. In this scenario, the development of renewable energies and the valorisation of CO2 are called to play a crucial role. In order to make these two processes affordable, I have employed density functional theory simulations and established tight synergies with experimental testing and characterization to contribute in the search and design of novel catalytic materials towards green fuels. I have assessed the electrocatlytic propertiesof MOF-74 for oxygen evolution reaction, which is the bottleneck of green H2 production via water splitting. Defective structures have been identified as the active sites of these materials. In reference to CO2 valorisation, I have explored synthesis-structureperformance relationships of three metal-promoted metal oxides systems: ZnZrOx, M-In2O3, and Pd-In2O3/ZrO2. These systems have shown promising catalytic activity for the CO2 hydrogenation with green H2 to methanol, which is a vital commodity. The proper combination of oxidic and metallic phases has been revealed as key for maximizing the catalytic properties of these systems and achieve high methanol productivity. Overall, the features that dictate the electrocatalytic activity of MOF-74 materials for oxygen evolution reaction and the thermocatalytic properties of metalpromoted metal oxides for CO2 hydrogenation have been identified in this thesis. This paves the way to the design of novel catalytic materials for energy applications.