An atomistic view point of the chemical reactivity of modified carbon materials

Abstract

Esta tesis pretende abordar estudios teóricos que permitan conocer el comportamiento de materiales carbonosos modificados con nanopartículas de un metal u óxido en diferentes configuraciones estructurales y composiciones. El objetivo es desarrollar una comprensión global de cómo los cambios en las propiedades del material tras la modificación afectan a la adsorción y disociación del agua. A partir de estos hallazgos, se pretende establecer una base sólida para el diseño de nuevos materiales con prestaciones mejoradas para los procesos estudiados. Para ello, se han sugerido e investigado una serie de modelos químicos de materiales híbridos mediante el uso de métodos ab-initio. En particular, se han propuesto dos formas de superficies de carbono, a saber, los nanotubos de carbono (CNT) y el óxido de grafeno (GO), como sustratos para la deposición de diferentes nanopartículas de platino y óxido de iridio. Como resultado de esta investigación, se encuentra que las superficies de carbono propuestas pueden estabilizar nanopartículas de platino (Ptn , n = 1 - 10, 13) y óxido de iridio estequiométrico ((IrO2 )n , n = 1 - 6), describiéndose diversos factores físicos y químicos involucrados. Además, sistemas seleccionados de ambos tipos presentaron resultados sobresalientes en cuanto a los procesos de adsorción y disociación de agua. Los resultados de este estudio alientan a los grupos experimentales a sintetizar nanopartículas estables de Pt de forma triangular y partículas nanométricas de óxido de iridio sobre una superficie de CNT para promover la polarización y aumentar la eficiencia de la catálisis. Por último, esta tesis examina en mayor profundidad las nanopartículas monometálicas de M13 y su reactividad (mediante el uso de moléculas simples, como O2 y N2 ), con el objetivo de desarrollar en el futuro un análisis comparable para los cúmulos de M13 sobre superficies a base de carbono.

This thesis aims to address theoretical studies to understand the behavior of carbonaceous materials modified with nanoparticles of a metal or oxide in different structural configurations and compositions. The objective is to develop a global understanding of how changes in material properties after modification affect water adsorption and dissociation. From these findings, it is intended to establish a solid basis for the design of new materials with improved performance for the processes studied. For this purpose, a series of chemical models of hybrid materials have been suggested and investigated by using ab-initio methods. In particular, two forms of carbon surfaces, namely carbon nanotubes (CNTs) and graphene oxide (GO), have been proposed as substrates for the deposition of different platinum and iridium oxide nanoparticles. As a result of this investigation, it is found that the proposed carbon surfaces can stabilize platinum nanoparticles (Ptn , n = 1 - 10, 13) and stoichiometric iridium oxide ((IrO2 )n , n = 1 - 6), describing various physical and chemical factors involved. In addition, selected systems of both types presented outstanding results in terms of water adsorption and dissociation processes. The results of this study encourage the experimental groups to synthesize stable triangular-shaped Pt nanoparticles and nanometer iridium oxide particles on a CNT surface to promote polarization and increase catalysis efficiency. Finally, this thesis further examines monometallic M13 nanoparticles and their reactivity (using single molecules, such as O2 and N2 ), with the goal of developing a comparable analysis for M13 clusters on carbon-based surfaces in the future.