En este trabajo se muestra el estudio realizado sobre materiales que serán utilizados en el diseño de una celda solar para su aplicación en el ciclo de producción de hidrógeno, también en este contexto se han estudiado compuestos capaces de almacenar el hidrógeno producido, de manera de cerrar el círculo propuesto de generación y almacenamiento de hidrógeno. En la primera etapa, se realizó el estudio de materiales semiconductores mediante primeros principios, con esta herramienta se estudiaron las propiedades electrónicas de los sistemas M:TiO<SUB>2</SUB> (donde M: metales de transición 3d). En la segunda etapa, se llevó a cabo la modelización de una celda solar multijuntura, empleando los materiales obtenidos en la primera etapa. Mediante el diseño propuesto de la estructura de la celda solar se logró una eficiencia del 10% para la producción del hidrógeno. Finalmente, en la tercera y última etapa, una vez obtenido el hidrógeno, se realizaron estudios para determinar cuáles serían los materiales más viables para retener y liberar el H. Con esta finalidad, se estudiaron series de hidruros binarios y ternarios, con diferentes estructuras cristalinas, para determinar que compuesto presenta una mejor perspectiva para el almacenamiento de H.

Las últimas dos décadas han sido refugio de un gran número de investigaciones cuya principal área de atención es el almacenamiento de hidrógeno. Estos esfuerzos se deben, en principio, a la necesidad de hallar algún método de almacenamiento factible de ser empleado en celdas de combustible para automóviles y otras tecnologías de transporte. Se sabe que el hidrógeno puede almacenar una suma importante de energía química por unidad de masa aunque, en condiciones ambientales, sólo existe en forma de gas molecular de muy baja densidad. Por tanto, y con el objetivo de promoverlo como combustible, varios estudios han identificado el problema que representa su almacenamiento como el mayor obstáculo que debe sortearse para alentar la transición gradual de un sistema de transporte sustentado en combustibles tradicionales hacia otro donde éste se conciba como el principal portador de energía. Tal cambio de paradigma es, para muchos, una respuesta inteligente frente a la variedad de inconvenientes asociados a la dependencia que, en la actualidad, se tiene con las energías provenientes de reservas fósiles y que alcanzan, entre otros aspectos, su naturaleza finita, los cambios climáticos y los conflictos geopolíticos. Dentro de las opciones en desarrollo, se destaca la existencia de un grupo particular de materiales intermetálicos, de estequimetría ideal AB2, que poseen la capacidad de almacenar hidrógeno en estado sólido, dado el gran número de intersticios tetraédricos presentes en sus redes cristalinas. Las fases de Laves, como suelen denominarse estas aleaciones, constituyen el eje principal de esta Tesis. En efecto, uno de los trabajos primarios que conforman este escrito refiere al estudio teórico de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno en la fase de Laves Zr(Cr0.5Ni0.5)2 y de las características de los sitios de absorción favorables para la localización de átomos de hidrógeno. En segundo lugar, y no menos importante, se analizan los mecanismos de absorción en cinco materiales diferentes, representados bajo la familia de Laves Zr0.9Ti0.1(Ni0.5Cr0.5-xVx)2, con x = 0, 0.125, 0.25, 0.375, 0.5. Para este caso, también se reportan los intersticios de absorción que, desde el punto de vista energético, se consideran estables. En ambas oportunidades, los estudios se abordan y complementan con diversas herramientas. Todos los cálculos de energía se desarrollan conforme a la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) que se implementa en el código de simulación VASP. El análisis de redistribución de cargas se contempla dentro de la teoría de Bader. Las interacciones metal-metal y metal-hidrógeno se examinan a través del concepto de población de solapamiento (OP). Las contribuciones de los orbitales de cada especie se detallan por medio de la herramienta de densidad de estados (DOS). Los resultados obtenidos se comparan con valores teóricos y experimentales publicados en recursos bibliográficos pertinentes. / The last two decades have been refuge to a great number of investigations for which their main attention area is the hydrogen storage. These efforts are due, in principle, to the need to find some storage method that can be used in cars fuel cells and other transport technologies. It is known that hydrogen can store a significant amount of chemical energy per unit mass, although under environmental conditions it only exists in the form of very low molecular density gas. Therefore, and with the aim to promote it as a fuel, several studies have identified the storage problem as the biggest obstacle that must be overcome to encourage the gradual transition from a transportation system based on traditional fuels to another where it can be conceived as an ideal energy carrier. Such paradigm change is, for many, an intelligent answer to the variety of inconveniences associated with the current dependence on energies coming from fossil reserves and that reach, among other aspects, their finite nature, climatic changes and geopolitical conflicts. Among options in development, there is a particular group of intermetallic materials, with ideal stoichiometry AB2, that have the ability of storing hydrogen in solid state because of the large number of tetrahedral interstices presented in their crystalline structures. The Laves Phases, as they are usually known, constitute the principal axis of this Thesis. In fact, one of the works that is described refers to the theoretical study of hydrogen storage capacity of the Laves phase Zr(Cr0.5Ni0.5)2 and the characteristics of their favorable absorption sites for hydrogen atoms localization. In second place, and not less important, absorption mechanisms are analyzed in five different materials represented under the Laves family Zr0.9Ti0.1(Ni0.5Cr0.5-xVx)2, with x = 0, 0.125, 0.25 , 0.375, 0.5. In this case, absorption sites that from an energy point of view are considered stable are also reported. In both opportunities, studies are carried out and complemented by different tools. All energy calculations are developed according to the Density Functional Theory (DFT) implemented in the VASP simulation code. Charge distribution is analysed in the frame of Bader's theory. Metal-metal and metal-hydrogen interactions are examined through the overlap population (OP) concept. Elemental orbitals contributions are detailed by means of density of states (DOS). Results obtained are compared with theoretical and experimental values published in pertinent bibliographic resources.

En esta Tesis se han estudiado en forma teórica diversos procesos de adsorción de hidrógeno sobre nanomateriales de carbono decorados con paladio. En primer lugar se utilizó un modelo sencillo dc dccoración basado cn átomos individuales dc paladio, y a continuación se analizó la adsorción de dímeros de paladio, de modo de comprender la relación entre el fenómeno de nucleación de paladio y el almacenamiento de hidrógeno en grafeno y nanotubos de carbono. En particular se consideraron diferentes sitios de adsorción sobre la super-ficie de carbono, al igual que varias estructuras de coordi-nación en las que el hidrógeno se encuentra tanto en forma molecular como disociada. En todos los casos se computaron las energías y se describieron los enlaces y la estructura electrónica para los diferentes sistemas hidrógenopaladio soportados. Estos cálculos se llevaron a nivel mecánico cuán-tico, mediante uso tanto de la teoría de primeros principios del Funcional de la Densidad (DFT) como del método semiempírieo de Superposición Atómica y Desloealización Electrónica (ASED), implementados respectivamente con los códigos SIESTA y YAeHMOP. Nuestros resultados se compararon con otros cálculos teóricos y con la información experimental disponible. Los resultados obtenidos permiten describir las principales interacciones I-lPdC durante el fenómeno de adsorción. De esta manera, se detalló el rol de los orbitales s, p y d en el mecanismo de enlace para todos los adsorbatos y sustratos. El objeto de este estudio es contribuir a la comprensión del fenómeno de incremento de la capacidad de almacenamiento de hidrógeno observado en materiales de carbono decorados con paladio. / This Thesis presents a theoretical study of hydrogen adsorption processes on palladium decorated carbon nanomaterials. First, we used a simple decoration model involving singlc palladium atoms, and thcn wc analyzed thc adsorption of palladium dimers, in order to shed more light on the relation between palladium clustering and hydrogen storage in graphene and carbon nanotubes. We considered different adsorption sites on the carbon surface, as well as several molecular and dissociative hydrogen coordination structures. In all cases we computed the energy, bonding and electronic structure for the different supported hydrogenpalladium systems. These calculations were performed at quantum mechanical level, using both the ab initlo Density Functional Theory (DFT) as the semiempirieal Atomic Superposition and Electronic Deloealization (ASED) method, implemented respectively by means of SIESTA and YAeHMOP codes. Our results were compared with other theoretical calculations and available experimental data. The obtained results allow us to described the main HPdC interactions during the adsorption scheme. In this way, the role of s, p and d orhitals on the bonding mechanism for all adsorbates and sustrates was addressed. [he aim of this study is to contribute to the understanding of the hydrogen uptake of carbon materials decorated with palladium.

The research work presented in this memorandum deals with the synthesis of advanced activated carbon materials in order to use them for hydrogen storage application. A total number of 90 samples are investigated, comprising activated carbon fibers (ACFs ), activated carbon nanofibers (ACNFs), as well as activated carbon monoliths from different synthetic precursors (ACFs and PVDC-based). After a broad introduction, the experimental characterization methods are explained which include: Textural analysis via sub-atmospheric adsorption isotherms ofN2 at 77 K and of CO2 at 273 K, thermogravimetric analysis (TGA), differential thermal analysis (DTA), scanning electron microscopy (SEM), energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX), X-ray diffraction (XRD), different techniques for material density measurements, as well as the use of a number of hydrogen adsorption devices which permit measurements under different temperature-pressure conditions (ranging from high precision sub-atmospheric measurements to high pressure, as well as from cryogenic to room temperature ). For material synthesis, different methods are applied: Physical activation with CO2, chemical activation with hydroxides (KOH and NaOH), as well as monolith synthesis. For ACFs, different activation conditions are investigated which develop appropriate adsorbent characteristics for H2 adsorption. Here, aside from the nature and amount of the activating agent, also the carbonization temperature of the carbon fiber precursor plays a key role. A scale-up ACF production is performed, yielding in an output one order of magnitude higher than for laboratory scale synthesis. For a selection of ACFs H2 adsorption is measured at 298 K and 20 MPa and 77 K and 4 MPa. The total storage capacity is introduced which, apart from the adsorbed phase, also accounts for the compressed gas in the void space of the adsorbent. This quantity only depends on measurable sample characteristics (H2 adsorption amount, as well as bulk and real densities) and permits to estimate how much gas can be stored in a confined tank volume. Especially at 298 K the adsorbent density has a high impact on the total H2 storage capacity. Therefore, the density of the ACFs is increased by synthesizing monoliths from them. Furthermore, another class of high-density monoliths is investigated, whose adsorption characteristics are improved by CO2 activation. On a volumetric basis these materials outperform adsorbents with very high surface areas like Maxsorb or MOF-21 O, and achieve high total storage capacities up to 18.1 g r1. For carbon nanofiber activation, CO2 turns out to result in better bespoke porosity for H2 adsorption than other activating agents like hydroxides or steam. Their density is improved by monolith synthesis. Especially interesting H2 adsorption results are obtained for the nanofibers at 298 K and 20 MPa, where a hydrogen uptake of 1.2 wt.% is measured, which is more than would be expected from their porosity. finally, the system storage capacity and the dimensionless quantity K are introduced which allow to determine if a given storage tank device can be improved by filling it with an adsorbent. The calculations are done for a number of state-of-the-art tanks and using different materials from this study. The results reveal that in volumetric terms the system storage capacities can be easily improved. On a gravimetric basis, it is expected that the storage capacities could be improved for optimized tank devices.