Towards more sustainable catalysis: Experimental and computational insights on supported single-atom and single-cluster catalysts

Abstract

Els catalitzadors d’un sol àtom (SACs) i els catalitzadors d’un sol clúster (SCCs) han sorgit com una opció prometedora en catàlisi heterogènia gràcies a la seva elevada eficiència atòmica i a les seves propietats electròniques úniques. Aquests catalitzadors presenten una activitat catalítica, selectivitat i estabilitat superiors en diverses reaccions químiques, incloent-hi l’oxidació, reducció, hidrogenació, deshidrogenació, el desplaçament del gas d’aigua, entre d’altres. Aquesta tesi descriu l’aplicació de catalitzadors de Rh SAC suportats en nitrur de carboni grafític (g-C₃N₄) i TiO₂ en la hidroformilació d’estirè, determinant les condicions que afavoreixen la producció d’aldehids lineals en aquest procés, a més d’investigar el mecanisme catalític mitjançant la teoria del funcional de la densitat (DFT) (Capítol 3). Així mateix, es van explorar experimentalment i teòricament les aplicacions de catalitzadors de Pt suportats en g-C₃N₄ (Capítol 4), Al₂O₃ (Capítols 5 i 6) i TiO₂ (Capítol 6), així com de Ga suportat en Al₂O₃ (Capítol 7) en forma de SACs i SCCs en la deshidrogenació de propà (PDH), prestant especial atenció a l’estabilitat i selectivitat del catalitzador en aquesta reacció.

Los catalizadores de un solo átomo (SACs) y los catalizadores de un solo clúster (SCCs) han surgido como una opción prometedora en catálisis heterogénea debido a su alta eficiencia atómica y sus propiedades electrónicas únicas. Estos catalizadores presentan una actividad catalítica, selectividad y estabilidad superiores en diversas reacciones químicas, incluidas la oxidación, reducción, hidrogenación, deshidrogenación, el desplazamiento del gas de agua, entre otras. La presente tesis describe la aplicación de catalizadores Rh SAC soportados en nitruro de carbono grafítico (g-C₃N₄) y TiO₂ en la hidroformilación de estireno, determinando las condiciones que favorecen la producción de aldehídos lineales en este proceso, además de investigar el mecanismo catalítico mediante la teoría del funcional de la densidad (DFT) (Capítulo 3). Asimismo, se exploraron experimental y teóricamente las aplicaciones de catalizadores de Pt soportados en g-C₃N₄ (Capítulo 4), Al₂O₃ (Capítulos 5 y 6) y TiO₂ (Capítulo 6), así como de Ga soportado en Al₂O₃ (Capítulo 7) en forma de SACs y SCCs en la deshidrogenación de propano (PDH), prestando especial atención a la estabilidad y selectividad del catalizador en esta reacción.

Single-atom catalysts (SACs) and single-cluster catalysts (SCCs) have emerged as a promising option in heterogeneous catalysis due to their high atomic efficiency and unique electronic properties. These catalysts exhibit superior catalytic activity, selectivity, and stability in various chemical reactions, including oxidation, reduction, hydrogenation, dehydrogenation, water gas shift and others. The present thesis describes the application of Rh SAC on graphitic carbon nitride (g-C3N4) and TiO2 in styrene hydroformylation, determining the conditions that favor the production of linear aldehydes in this process, and investigates the catalytic mechanism using the density functional theory (DFT) (Chapter 3). In addition, the applications of supported Pt on g-C3N4 (Chapter 4), Al2O3 (Chapter 5 and 6) and TiO2 (Chapter 6) and Ga on Al2O3 (Chapter 7) SACs and SCCs for propane dehydrogenation (PDH) were also investigated experimentally and theoretically, paying particular attention to the catalyst’s stability and selectivity in this reaction.