The main objective of this Thesis is the synthesis, characterization and application in the PROX reaction of several series of catalysts synthesized using different methods, in order to find efficient materials with high catalytic activity. This work has been divided in six chapters. Chapter I presents an introduction about current energy problems and hydrogen (energy carrier) as a solution, with its limitations and advances on its use: storage, transport and security. Finally, its use as a fuel in PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cells) and the advantages comparing other existent fuel cells has been discussed. A brief summary was done about the catalytic systems studied in literature for PROX reaction and their characteristics. Following, Chapter 2 describes all the characterization techniques which were used to study the properties of the synthesized supports and catalysts, together with the experimental system employed for the catalytic tests. Most of these equipments belong to SSTTI of University of Alicante or are hand-made systems in the LMA group. DRIFTs and DTP were done at TUDelft, Catalysis Engineering Section. Next chapters contain the most important results obtained during the complete research work; they have been divided in two parts. On one hand, Chapter 3 describes the synthesis of pure TiO2 using five different methods, and its use as platinum support for PROX catalysts. On the other hand, taking into account the obtained results, three synthesis methods were chosen, and the study was centered in the addition of CeO2 to TiO2. Chapter 4 discusses the TixCe(1-x)O2 series synthesized using the sol-gel method. In Chapter 5 a solvothermal procedure was employed for the synthesis of supports with similar composition and, finally, impregnation of cerium over commercial P25 titania was compared in Chapter 6. Each chapter contains a complete study of characterization of both supports and catalysts. Synthesis parameters, pretreatment and reaction conditions were also modified for the best catalyst of the three series. Analyzing the catalysts’ behavior, a reaction mechanism was proposed. Finally, general conclusions summarize the most relevant results obtained in each chapter.

156f. / Submitted by Ana Hilda Fonseca (anahilda@ufba.br) on 2013-04-01T14:23:09Z No. of bitstreams: 1 Efeito de Promotores Básicos no Desempenho de Catalisadores do Tipo NiCeO2 na Reforma a Vapor do Etanol.pdf: 2372525 bytes, checksum: 58abed4648d03abc093c314adadb9140 (MD5) / Approved for entry into archive by Ana Hilda Fonseca(anahilda@ufba.br) on 2013-04-24T14:29:24Z (GMT) No. of bitstreams: 1 Efeito de Promotores Básicos no Desempenho de Catalisadores do Tipo NiCeO2 na Reforma a Vapor do Etanol.pdf: 2372525 bytes, checksum: 58abed4648d03abc093c314adadb9140 (MD5) / Made available in DSpace on 2013-04-24T14:29:24Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Efeito de Promotores Básicos no Desempenho de Catalisadores do Tipo NiCeO2 na Reforma a Vapor do Etanol.pdf: 2372525 bytes, checksum: 58abed4648d03abc093c314adadb9140 (MD5) Previous issue date: 2011 / CAPES / Nos dias atuais, o desenvolvimento de tecnologias baseadas na utilização de combustíveis limpos tem despertado, cada vez mais, o interesse da comunidade científica. Uma das opções mais atrativas é a utilização do hidrogênio como combustível, em substituição à gasolina e o diesel, que tem se mostrado bastante promissora, pois a sua combustão é praticamente livre de emissão de poluentes e eles pode ser obtido de forma sustentável, através da reação do bio-etanol com vapor d´ água. Neste contexto, no presente trabalho estudou-se o efeito de promotores básicos (magnésio, cálcio, estrôncio e bário), bem como o efeito de diferentes teores de cálcio, visando ao desenvolvimento de catalisadores ativos e seletivos a hidrogênio na reforma a vapor do etanol, com elevada resistência à deposição do coque. Foram preparados catalisadores baseados em níquel (15% m/m) suportado em óxido de cério, promovidos na relação Ni/P = 10 (P= magnésio, cálcio, estrôncio e bário) e materiais contendo diferentes teores de cálcio (Ni/Ca = 5, 10 e 20). Os catalisadores foram caracterizados por análise química elementar, difração de raios X, medidas de área superficial específica, espectroscopia por refletância difusa na região do ultravioleta e visível, termodessorção programada de dióxido de carbono, redução termoprogramada e espectroscopia no infravermelho por transformada de Fourier de monóxido de carbono quimissorvido. Os catalisadores foram avaliados, na faixa de 400 a 700 0C, na reforma a vapor do etanol em diferentes relações vapor/etanol (0, 3 e 5). Os catalisadores apresentaram a fase cúbica do óxido de cério e do óxido de níquel. A deposição do níquel promoveu uma diminuição acentuada das áreas superficiais específicas dos catalisadores, em relação aos suportes preparados. Os promotores afetaram o tamanho de partícula e a força de interação entre o óxido de níquel e o suporte, gerando espécies com diferentes características redutoras; os sólidos contendo magnésio e cálcio apresentaram as partículas menores e menos redutíveis. Observou-se que o teor de cálcio afeta a redutibilidade e o tamanho de partícula do óxido de níquel, sendo o sólido com a razão Ni/Ca= 10 o menos redutível e com partículas em interação mais forte com o suporte. A introdução do magnésio e do cálcio, nos catalisadores, aumentou a força dos sítios básicos fortes e moderados, enquanto o estrôncio e o bário levaram a uma diminuição desse parâmetro. A interação entre o níquel com o estrôncio ou bário levou à formação de espécies metálicas ricas em elétrons, enquanto o magnésio e o cálcio formaram sítios com deficiência eletrônica. Os catalisadores promovidos com magnésio e cálcio mostraram-se mais seletivos a hidrogênio na reforma a vapor do etanol, com menor produção de coque. Isto foi atribuído à maior interação das espécies de níquel metálico com o suporte e à maior capacidade desses materiais ativarem as moléculas de água e dióxido de carbono, que eliminam o coque formado. O catalisador contendo relação Ni/Ca= 10 foi o mais ativo e seletivo a hidrogênio na reforma a vapor do etanol, sendo o mais promissor para a reação. Este desempenho foi atribuído à formação de espécies de níquel em interação mais forte com o suporte e com maior densidade de vacâncias de oxigênio superficiais, que participam do mecanismo redox de ativação da molécula de água. / Salvador

Este trabalho investigou a técnica de solução coloidal(gelcasting) em meio polimérico para a obtenção de partículas de óxido de cério, visando seu emprego como catalisadores na combustão do metano. A formulação do sistema coloidal foi baseada na hidrólise de sais, como acetilacetonato de cério e nitrato de cério em presença de aditivos tais como polivinilbutiral (PVB), polivinilpirrolidona (PVP) e polivinilacetato (PVA), nas concentrações de 5, 10 e 15%, em meio alcoólico ou aquoso. Essas soluções, contendo os íons de interesse, foram submetidas a um tratamento térmico a 650°C, por 30 minutos, com taxa de aquecimento de 2°C/min. Após o tratamento térmico, os produtos obtidos foram caracterizados quanto a sua morfologia, área superficial, cristalinidade, perda de massa e atividade catalítica. As amostras obtidas a partir de acetilacetonato de cério mostraram-se mais reativas do que as obtidas a partir de nitrato de cério na catálise da combustão do metano, pois apresentaram maiores conversões e atingiram maiores temperaturas durante o processo, o que é de extrema importância uma vez que a combustão catalítica do metano é utilizada para a geração de energia térmica. Durante o processo de combustão, utilizando-se as partículas obtidas a partir de acetilacetonato de cério, observou-se a liberação de grandes quantidades de compostos nitrogenados quando comparado aos resultados dos ensaios com as partículas obtidas com nitrato de cério. Após a combustão do metano, as amostras sofreram significativa alteração na área superficial, provavelmente devido à intensidade do calor liberado, o que deu origem a maior aglomeração dos particulados. / This study investigatedto obtainparticles ofcerium oxide, for use as catalysts for thecombustion of methaneusing the techniqueofthroughpolymericcolloidal solution (gelcasting).Obtaining thecolloidal systemisbased onhydrolysis ofsalts such asceriumacetylacetonate,cerium nitratein the presence ofadditives such aspolyvinylbutyral(PVB),polyvinylpyrrolidone (PVP) and polyvinyl acetate(PVA),at concentrations of 5, 10 and 15% inaqueousoralcoholic medium. Thesesolutions containingionsof interestwere subjected to aheat treatment at 650°C for30 minutes, with heating rate of2°C/min.After heat treatment, the fibers were characterized accordingto their morphology, surface area, crystallinity, weight loss andcatalytic activity. Samplesobtained fromceriumacetylacetonatewere morereactivethan theceriumnitrateto thecombustion of methane, as showed greaterconversions andhigher temperaturesreachedduring the process, which is of utmost importancesince thecombustioncatalyticmethaneis usedfor generatingthermal energy.Duringthe combustion processusing theobtained fromparticlesof ceriumacetylacetonate, there was the release of largequantities ofnitrogencomparedto the results ofassays withthe particles obtainedwithcerium nitrate.Afterthe reactionwith methane, the samples underwentsignificantchange insurface area, probably dueto the intensity of heat of this reaction, which helps to agglomerate the particles.

Submitted by CAMILA PAIXÃO SANTOS (camila.paixao@yahoo.com.br) on 2016-11-03T08:48:02Z No. of bitstreams: 1 DEFESA_FINAL.pdf: 1918396 bytes, checksum: 8ba642a529d4534993d8d024baa1c739 (MD5) / Rejected by Felipe Augusto Arakaki (arakaki@reitoria.unesp.br), reason: Solicitamos que realize uma nova submissão seguindo a orientação abaixo: O arquivo submetido está sem a ficha catalográfica. A versão submetida por você é considerada a versão final da dissertação/tese, portanto não poderá ocorrer qualquer alteração em seu conteúdo após a aprovação. Corrija esta informação e realize uma nova submissão com o arquivo correto. Agradecemos a compreensão. on 2016-11-10T12:39:58Z (GMT) / Submitted by CAMILA PAIXÃO SANTOS (camila.paixao@yahoo.com.br) on 2016-11-11T18:37:20Z No. of bitstreams: 1 DEFESA_FINAL.pdf: 2077990 bytes, checksum: 7c050271b8596995c2ed6deeef0aca4e (MD5) / Approved for entry into archive by LUIZA DE MENEZES ROMANETTO null (luizaromanetto@hotmail.com) on 2016-11-16T19:53:18Z (GMT) No. of bitstreams: 1 santos_cp_me_guara.pdf: 2077990 bytes, checksum: 7c050271b8596995c2ed6deeef0aca4e (MD5) / Made available in DSpace on 2016-11-16T19:53:18Z (GMT). No. of bitstreams: 1 santos_cp_me_guara.pdf: 2077990 bytes, checksum: 7c050271b8596995c2ed6deeef0aca4e (MD5) Previous issue date: 2016-09-03 / Não recebi financiamento / Este trabalho apresenta e discute o uso do óxido de cério na fabricação de filmes espessos por “screen printing” para aplicações em sensores de gás. Nesse estudo o CeO2 puro foi obtido pelo método dos precursores poliméricos utilizando como resina precursora o citrato de céria. O “puff” – espuma resultante da primeira fase do tratamento térmico da resina- foi calcinado a 550, 600, 700 e 750°C. O pó foi caracterizado por termogravimetria (TG) e as propriedades estruturais, morfológicas foram avaliadas por difratometria de raios X (DRX), espectroscopia Raman, área de superfície por isotermas Brunauer, Emmett e Taller (BET) e microscopia eletrônica de varredura (MEV). A resposta sensora foi estudada em uma câmara de teste construída no Laboratório de Catálise e Superfícies do Instituto de Ciência de Tecnologia de Materiais (INTEMA) da Universidade de Mar del Plata. A TG mostrou a formação de óxido de cério a 550°C, temperatura relativamente baixa quando comparada com outros métodos. Mediante DRX todas as amostras mostraram picos correspondentes à fase pura de CeO2 o qual cristaliza em uma estrutura cúbica do tipo fluorita, entretanto, maiores temperaturas de calcinação mostraram aumento da cristalinidade e tamanho do cristalito. No espectro Raman, um forte pico em torno do 461 cm-1 foi detectado, atribuído às vibrações simétricas do Ce-O. A área de superfície BET dos pós foi de 301, 77 m2/g o que evidencia a formação de partículas muito pequenas e altamente reativas. As micrografias obtidas por MEV mostram a presença de diferentes tamanhos na forma de aglomerados. A caracterização da resposta sensora mostrou que o sensor fabricado a partir de pós de CeO2 puro apresenta um bom tempo de resposta, alcançando a melhor performance com temperatura de trabalho de 400 °C, tanto em atmosferas redutoras e oxidantes. A característica principal observada foi que os resultados são dependentes dos ciclos anteriores, a reprodutibilidade do sistema é garantida quando se apaga a “memória” do sistema, expondo-o ao vácuo. / This paper presents and discusses the use of cerium oxide in the production of thick films for "screen printing" for applications in gas sensors. In this study the pure CeO2 was obtained by the polymeric precursor method using as a precursor resin citrate ceria. The "puff" - resulting foam from the first stage of thermal treatment of the resin-calcined at 550, 600, 700 and 750 °C. The powder was characterized by thermogravimetry (TG) and structural, morphological were evaluated by X-ray diffraction (XRD), Raman spectroscopy, isothermal Brunauer surface area, Emmett and Taller (BET) and scanning electron microscopy (SEM) . The sensor response was studied in a test chamber built in the Laboratory of Catalysis and Surface Materials Technology Institute of Science (INTEMA), University of Mar del Plata. The thermogravimetry showed the formation of cerium oxide at 550° C, relatively low temperature compared with other methods. Upon XRD all samples showed peaks corresponding to pure CeO2 phase which crystallizes in a cubic fluorite type structure, however, higher calcination temperatures showed increased crystallinity and crystallite size. In the Raman spectrum, a strong peak around 461 cm-1 was detected, assigned to symmetric vibrations of the Ce-O. The BET surface area of the powders was 301, 77 m2 /g which shows the formation of very small and highly reactive particles. The SEM micrographs show the presence of different sizes in the form of agglomerates. The characterization of the sensor response showed that the sensors manufactured from pure CeO2 powder has a good response time, achieving better performance at 400 °C working temperature in both reducing and oxidizing atmospheres. The main feature observed was that the results are dependent on previous cycles, the system reproducibility is guaranteed when it deletes the "memory" of the system, exposing it to vacuum.

Este trabalho investigou a técnica de solução coloidal(gelcasting) em meio polimérico para a obtenção de partículas de óxido de cério, visando seu emprego como catalisadores na combustão do metano. A formulação do sistema coloidal foi baseada na hidrólise de sais, como acetilacetonato de cério e nitrato de cério em presença de aditivos tais como polivinilbutiral (PVB), polivinilpirrolidona (PVP) e polivinilacetato (PVA), nas concentrações de 5, 10 e 15%, em meio alcoólico ou aquoso. Essas soluções, contendo os íons de interesse, foram submetidas a um tratamento térmico a 650°C, por 30 minutos, com taxa de aquecimento de 2°C/min. Após o tratamento térmico, os produtos obtidos foram caracterizados quanto a sua morfologia, área superficial, cristalinidade, perda de massa e atividade catalítica. As amostras obtidas a partir de acetilacetonato de cério mostraram-se mais reativas do que as obtidas a partir de nitrato de cério na catálise da combustão do metano, pois apresentaram maiores conversões e atingiram maiores temperaturas durante o processo, o que é de extrema importância uma vez que a combustão catalítica do metano é utilizada para a geração de energia térmica. Durante o processo de combustão, utilizando-se as partículas obtidas a partir de acetilacetonato de cério, observou-se a liberação de grandes quantidades de compostos nitrogenados quando comparado aos resultados dos ensaios com as partículas obtidas com nitrato de cério. Após a combustão do metano, as amostras sofreram significativa alteração na área superficial, provavelmente devido à intensidade do calor liberado, o que deu origem a maior aglomeração dos particulados. / This study investigatedto obtainparticles ofcerium oxide, for use as catalysts for thecombustion of methaneusing the techniqueofthroughpolymericcolloidal solution (gelcasting).Obtaining thecolloidal systemisbased onhydrolysis ofsalts such asceriumacetylacetonate,cerium nitratein the presence ofadditives such aspolyvinylbutyral(PVB),polyvinylpyrrolidone (PVP) and polyvinyl acetate(PVA),at concentrations of 5, 10 and 15% inaqueousoralcoholic medium. Thesesolutions containingionsof interestwere subjected to aheat treatment at 650°C for30 minutes, with heating rate of2°C/min.After heat treatment, the fibers were characterized accordingto their morphology, surface area, crystallinity, weight loss andcatalytic activity. Samplesobtained fromceriumacetylacetonatewere morereactivethan theceriumnitrateto thecombustion of methane, as showed greaterconversions andhigher temperaturesreachedduring the process, which is of utmost importancesince thecombustioncatalyticmethaneis usedfor generatingthermal energy.Duringthe combustion processusing theobtained fromparticlesof ceriumacetylacetonate, there was the release of largequantities ofnitrogencomparedto the results ofassays withthe particles obtainedwithcerium nitrate.Afterthe reactionwith methane, the samples underwentsignificantchange insurface area, probably dueto the intensity of heat of this reaction, which helps to agglomerate the particles.

FundaÃÃo Cearense de Apoio ao Desenvolvimento Cientifico e TecnolÃgico / Com uso da difraÃÃo de raios X por pÃ, à possÃvel determinar parÃmetros fÃsicos de uma rede cristalina e atà quantificar suas fases. Alguns desses parÃmetros sÃo: as dimensÃes da cÃlula unitÃria (parÃmetros de rede), seu volume, tamanho de cristal, microdeformaÃÃo e etc. Contudo, à preciso ser cauteloso com a preparaÃÃo da amostra e com o alinhamento do difratÃmetro para que os parÃmetros obtidos pela medida sejam confiÃveis. Para que os erros sistemÃticos nÃo afetem os valores desses parÃmetros, utilizam-se materiais padrÃes que sÃo denominados SRM - Standard Reference Materials (Material PadrÃo de ReferÃncia). Em qualquer medida de difraÃÃo de raios-X, o difratograma obtido de uma amostra a ser analisada apresenta efeitos externos, que podem ser, por exemplo, a forma como foi preparada a amostra ou provocado pelo prÃprio equipamento. Levando em conta que os efeitos instrumentais (sistemÃticos) sempre estarÃo presentes numa medida, entÃo, a questÃo à saber quantificar esse efeito. O SRM escolhido para esse propÃsito à o Ãxido de cÃrio (CeO_2) obtido a partir de sulfato de cÃrio tetrahidratado (Ce〖(SO_4)〗_2∙4H_2 O) adquirido da Sigma-Aldrich. As principais caracterÃsticas do SRM sÃo: cristais com dimensÃes da ordem de μm, quimicamente inerte, homogÃneo, baixa microdeformaÃÃo e os picos de difraÃÃo sejam estreitos e intensos. Todas essas condiÃÃes sÃo essenciais, especialmente o tamanho dos cristais, para determinar a chamada largura instrumental. Segundo a equaÃÃo de Scherrer, a largura a meia altura (FWHM) de um pico de difraÃÃo à inversamente proporcional ao tamanho mÃdio dos cristais, ou seja, medidas feitas em cristais espessos, homogÃneos e de baixa microdeformaÃÃo produzirà picos estreitos, e consequentemente, a largura e perfis dos picos de difraÃÃo estÃo associados a efeitos instrumentais (por exemplo: divergÃncia, fendas, dispersÃo espectral e etc.). O objetivo deste trabalho consiste em sintetizar o CeO_2 com as condiÃÃes apresentadas anteriormente para que seja possÃvel, atravÃs de auxÃlio computacional, determinar a largura instrumental do difratÃmetro. Segundo os resultados apresentados pelo o autor do presente trabalho, verifica-se que o Ãxido de cÃrio sintetizado pode ser utilizado como material padrÃo de referÃncia para difratometria. / With the use of X-ray powder diffraction, it is possible to determine physical parameters of a crystal lattice and quantify its phases. Some of these parameters are: the dimensions of unit cell (lattice parameters), volume, crystal size, microstrain, etc. However, it is necessary to be cautious with sample preparation as well as with the diffractometer alignment in order to obtain reliable parameters. For the systematic errors do not affect the values of these parameters, patterns samples are used which are denominated Standard Reference MaterialsÂ-SRM. In X-ray powder diffraction measurement, the patterns obtained from a sample has external effects, such as the way of preparing sample or effects caused by the equipment itself. Taking into account the instrumental effects (systematic), which will always be present in a measurement, thus, the challenge is how to quantify this effect. The SRM selected for this purpose is cerium oxide (CeO_2) which were obtained from cerium sulfate tetrahydrate (Ce〖(SO_4)〗_2∙4H_2 O) purchased from Sigma-Aldrich. The major features of SRM are: crystals have dimensions on the order of Âm, chemically inert, homogeneous, low microstrain, narrow and intense diffraction peaks. All these conditions are essential, especially the crystal size to determine the instrumental width. According to the Scherrer equation, the full width at half maximum (FWHM) of a diffraction peak is inversely proportional to the average size of the crystals, in other words, measurements made in thick crystals, homogeneous, low microstrain will produce narrow peaks, and consequently, the total width and profile of the diffraction peaks are associated with instrumental effects (for example: divergence, lenses, spectral dispersion, etc). The objective of this work is to synthesize CeO_2 with the conditions described earlier and to determine the instrumental width of the diffractometer. According to the results presented by the authors of this work, it was observed that cerium oxide can be used as Standard Reference Materials for X-ray Diffraction analysis.

Na atualidade, a reforma do metano é de grande interesse industrial para o aproveitamento deste gás na produção de hidrogênio e de gás de síntese. Entre as reações de reforma do metano, destacam-se as reações de reforma a vapor e a reação com dióxido de carbono.O catalisador comumente utilizado nos processos re reforma do metano é Ni/Al2O3. Porém durante este processo, ocorre uma indesejada formação de depósitos de espécies carbonáceas na superfície deste catalisador, os quais levam a sua destruição mecânica e conseqüentemente sua desativação. Por isso, uma das propriedades mais importantes de um bom catalisador para as reações de reforma do metano é a sua resistência à desativação. Entre as propostas para melhorar o desempenho do catalisador encontra-se a incorporação do óxido de céria junto ao suporte alumina.Catalisadores 5%Ni/xCeO2/Al2O3 (x = 0, 1, 5, 10, 20 e 100%) forma preparados, caracterizados e submetidos a ensaios catalíticos nas reações de reforma a vapor e com dióxido de carbono de metano com objetivo de avaliar o efeito da adição de céria ao suporte.Os suportes e os catalisadores forma obtidos pelo método de impregnação e calcinados a 500ºC. Estes compostos foram caracterizados por Fisissorção de Nitrogênio pelo método B. E. T., Espectroscopia dispersiva de raios-X (EDX), espectroscopia de na região do ultra violeta e do visível (UV-vis-NIR) e Redução à Temperatura Programada (RTP). Após todas as reações catalíticas verificou-se que a adição de céria é benéfica ao catalisador Ni/Al2O3 e entre todos os catalisadores avaliados, o melhor desempenho obtido foram dos catalisadores contendo 20% de céria em massa, seguido do catalisador contendo 10%. / Nowadays, the methane reforming is large interest industrial for the take advantage of these gas in production the hydrogen and synthesis gas (syngas). Among in the reactions of methane stand of the reactiosn steam reformig and carbon dioxide reforming of methane. The main catalysts uses in the methane reforming is Ni/Al2O3. However, the supported-nickel catalyst is susceptible to the deactivation or the destruction by coke deposition. The carbon dissolves in the nickel crystallite and its diffuses through the nickel, leading for formation of the carbon whiskers, which results in fragmentation of the catalyst. Modification of such catalysts, like incorporation of suitable promoters, is desirable to achieve reduction of the methane hydrogenolysis and/or promotion of the carbon gasification. Catalysts 5%Ni/xCeO2/Al2O3 (x = 0, 1, 5, 10, 20 e 100%) were prepared, characterized and evalueted in reactions steam and carbon dioxide refoming of methane with objetive the value effect loading oxide ceria in support. The suppots and catalysts were prepared by impregnation method and calcined at 500ºC. The supports and catalysts were characterized by X Nitrogen Adsorption by B.E.T., method -rays diffraction (XRD), , Xrays dispersive spectroscopy (XDS), to spectroscopy in the region of the ultraviolet and the visible (UV-vis NIR) to and temperature programmed reduction (TPR). After all the catalytic reactions check which the addition of cerium is beneficial for Ni/Al2O3 catalysts and the best catlysts is 5%Ni/20%CeO2/Al2O3 following 5%Ni/10%CeO2/Al2O3.

Title: Study of 3-phase catalytic layers for polymer electrolyte fuel cells and electrolysers Author: Šimon Fuka Department: Department of Surface and Plasma Science Supervisor: doc. Mgr. Iva Matolínová, Dr., Department of Surface and Plasma Science Abstract: The diploma thesis focuses on the study of catalytic layers for Proton Exchange Membrane Fuel Cells (PEMFC) or electrolyzers based on the mixture of platinum and cerium oxide. These layers are prepared by using magnetron sputtering, their properties are studied depending on the deposition parameters or the choice of the substrate by using SEM, AFM, XPS and then tested as an anode in the fuel cell. In addition to the morphology of the catalytic layers, it has been shown that the dispersion of very small nanoparticles of the catalyst with a size of 1-2 nm has a great effect on PEMFC performance. Most of the prepared samples gave maximal and maximal specific performance much higher than the state of art values published for Pt-CeOx system. By studying properties of the layers used as the anode catalysts, this work contributes to the understanding of PEMFC fuel cell behavior and, consequently, to its potential commercialization. Keywords: Fuel cell, cerium oxide, platinum, catalyst, magnetron sputtering

This dissertation focuses on the assessment and development of heterogeneous catalysts for the deperoxidation of cyclohexyl hydroperoxide and oxidation of cyclohexane, which will be based in metal oxides and gold nanoparticles. For this endeavour a multidisciplinary approach will be used combining theoretical chemistry, kinetic studies and synthesis and characterisation of materials. The starting choice for the catalyst to carry out the process is supported gold nanoparticles. The approach of this dissertation is to first model the mecha- nism of cyclohexyl hydroperoxide decomposition and oxidation of cyclohexane on gold nanoparticles by theoretical calculations, and use these findings to synthesise efficient heterogeneous catalysts which will be subsequently tested and optimised experimentally. But as it will be seen, some metal oxides are active rather than acting as mere supports, which will also be studied both theoretical and experimentally. Each chapter has a specific focus and constitutes a strand of the overall goal: Chapter 1 provides an introductory background on the topics that this dissertation lies upon: oxidation of cyclohexane, heterogeneous catalysis and catalysis by gold and metal oxides. Chapter 2 outlines the objectives of the thesis, formulating the relevant hypotheses of this research and the subsequent validation tests. Chapter 3 exposes the methodology with a brief conceptual background that has been used to carry out this work. Chapter 4 is the first chapter dealing with results. It consists in a theoretical study using density functional theory of the reaction mechanism over different models of gold nanoparticles, in order to study the influence of several parameters on their catalytic activity: the particle size, atom coordination, and presence of additional species like oxygen atoms and water. Chapter 5 uses the findings found in chapter 4 to drive the synthesis of supported gold nanoparticles. It consists in a experimental study of gold-based catalysts, which is combined with a theoretical study which takes into account an additional variable: the support. Chapter 6 exploits one of the findings of chapter 5. One of the supports used for anchoring the gold nanoparticles is active by itself, namely cerium oxide. This chapter comprises an experimental work about its activity, studying parameters like particle size, morphology and the effect of doping. Chapter 7 continues with the catalytic activity of cerium oxide-based materials, but now from a theoretical point of view. It first presents a systematic study of the parameters relevant for the proper quantum mechanical description of cerium oxide, which is followed by a mechanistic study on different models. Chapter 8 outlines the conclusions obtained in this dissertation, present- ing them in a summarised way. Even though each chapter presents its corresponding conclusions at its end, this chapter groups them all in a structured way for the reader's convenience, so a global view of the project can be swiftly grasped. The results herein further the knowledge of heterogeneous catalysis for the oxidation of cyclohexane, one of the most important industrial reactions, and which continues to be a challenge. Although the ultimate goal is to develop an industrial catalyst, the dissertation also aims to show how computational chemistry can drive the design of novel materials, and how it can help to understand catalytic reactions at the atomic level. / El presente trabajo se centra en el estudio y desarrollo de catalizadores heterogéneos para la desperoxidación de ciclohexil hidroperóxido y la oxidación de ciclohexano, basados en óxidos metálicos y nanopartículas de Au. Para lograr tal objetivo se ha usado un enfoque multidisciplinar, que combina química teórica y estudios cinéticos, a la vez que síntesis y caracterización de materiales. El candidato inicial para llevar a cabo el proceso consiste en partículas de Au soportadas. El camino a seguir pasa primero por modelizar el mecanismo de descomposición de ciclohexil hidroperóxido y oxidación de ciclohexano mediante cálculos teóricos, y utilizar el conocimiento generado por este estudio para dictar la síntesis de catalizadores heterogéneos, comprobando y optimizando posteriormente su actividad de forma experimental. Sin embargo, como será visto a lo largo de este trabajo, algunos óxidos metálicos dejan de lado su papel como mero soporte físico para las partículas de Au y son activos por sí mismos. Tal hecho será estudiado tanto teórica como experimentalmente. Cada capítulo tiene un objetivo específico, y es a su vez una parte del objetivo global de esta investigación: El capítulo 1 provee al lector de una breve introducción a los temas sobre los que yace este trabajo: oxidación de ciclohexano, catálisis heterogénea y catálisis mediante Au y óxidos metálicos. El capítulo 2 expone de una forma breve y concisa los objetivos de esta investigación, formulando la hipótesis de partida y los correspondientes experimentos para su validación. El capítulo 3 describe la metodología utilizada junto a una explicación de los fundamentos en los que se basa cada técnica. El capítulo 4 es el primer capítulo que discute los resultados obtenidos en esta investigación. Se trata de un estudio usando la teoria del funcional de densidad para investigar el mecanismo de reacción del proceso sobre diferentes modelos teóricos de Au, con el objetivo de comprender la influencia de diversos factores en la actividad catalítica, tales como el tamaño de partícula, la coordinación de los á'tomos de Au y la presencia de especies adicionales como átomos de O y agua. El capítulo 5 hace uso de los resultados obtenidos en el estudio anterior, y los utiliza para dirigir la síntesis de nanopartículas soportadas de Au. Se trata de un estudio experimental en el que se investigan diversos factores que pueden afectar a su actividad catalítica. Este estudio se combina a su vez con uno de tipo teórico en el que se tiene en cuenta la influencia del soporte en la actividad catalítica de las particulas de Au. El capítulo 6 se basa en uno de los resultados obtenidos en el capítulo 5. Uno de los soportes utilizados para anclar las partículas de Au resulta de por sí activo: el CeO2. Su notable actividad para catalizar este proceso exige un estudio en mayor profundidad, el cual se lleva a cabo en este capítulo. Parámetros como el tamaño de particula, la morfología de superficie y el dopaje entre otros se investigan en este punto. El capítulo 7 sigue la estela del trabajo anterior sobre CeO2, pero ahora desde el punto de vista de la química teórica. Presenta primero un estudio sistemático de parámetros relacionados con la mecánica cuá'ntica que afectan al CeO2, con el objetivo de alcanzar una descripción satisfactoria de los modelos teóricos para este óxido. Tras esto, se lleva a cabo un estudio del mecanismo de reacción en dichos modelos de CeO2, a fin de comprender el origen de su actividad catalítica. El capítulo 8 presenta de forma estructurada y concisa todas las conclusiones que se han sacado a raíz de los resultados obtenidos. Aún a pesar de que cada capítulo presenta sus correspondientes conclusiones al final, aquí se presentan de una forma agrupada a comodidad del lector, para que pueda obtener de forma ágil una visión global de los resultados de esta investigación. / Aquest treball es centra en l'estudi i desenvolupament de catalitzadors hetero- genis per a la desperoxidació de ciclohexil hidroperòxid i la oxidació de ciclohexà, basats en òxids metàl·lics i nanopartícules de Au. Per aconseguir aquest objectiu s'ha utilitzat un enfocament multidisciplinari, en el qual es combinen química teòrica i estudis cinètics amb síntesi i caracterització de materials. El candidat inicial per dur a terme el procés consisteix en partícules de Au suportades. El camí a seguir passa primer per modelitzar el mecanisme de descomposició del ciclohexil hidroperòxid i la oxidació de ciclohexà mitjançant càlculs teòrics, i utilitzar el coneixement generat per aquest estudi per dirigir la síntesi de catalitzadors heterogenis, comprovant i optimitzant posteriorment la seua activitat de forma experimental. No obstant això, com es veurà al llarg d'aquest treball, alguns òxids metàl·lics deixen de costat el seu paper com a suport físic de les partícules de Au y són actius per si mateixos. Aquest fet s'ha estudiat tant teòrica com experimentalment. Cada capítol té un objectiu específic i és al mateix temps una part de l'objectiu global d'aquesta recerca: El capítol 1 proporciona al lector una breu introducció als temes tractats en aquest treball: oxidació de ciclohexà, catàlisi heterogènia i catàlisi mitjançant Au i òxids metàl·lics. El capítol 2 exposa d'una forma breu i concisa els objectius d'aquesta investigació, formulant la hipòtesi inicial i els corresponents experiments per a la seua validació. El capítol 3 descriu la metodologia utilitzada conjuntament amb una explicació dels fonaments en els quals es basa cada tècnica. El capítol 4 és el primer capítol que discuteix els resultats obtinguts en aquesta investigació. Es tracta d'un estudi usant la teoria del funcional de densitat per investigar el mecanisme de reacció del procés en diferents models teòrics de Au, amb l'objectiu de comprendre la influència en l'activitat catalítica de diversos factors, com ara la grandària de partícula, la coordinació dels àtoms de Au i la presencia d'espècies addicionals, com àtoms de O i aigua. El capítol 5 fa ús dels resultats obtinguts en l'estudi anterior, i els utilitza per dirigir la síntesi de nanopartícules suportades de Au. Es tracta d'un estudi experimental en el qual s'investiguen diversos factors que poden afectar a la seua activitat catalítica. Aquest estudi es combina amb un altre de caràcter teòric en el qual es té en compte la influència del suport en la activitat catalítica de les partícules de Au. El capítol 6 es basa en un dels resultats obtinguts en el capítol 5. Un dels suports utilitzats per fixar les partícules de Au resulta de per si actiu: el CeO2. La seua notable activitat per catalitzar aquest procés demana un estudi de major profunditat, el qual es duu a terme en aquest capítol. Paràmetres com la grandària de partícula, la morfologia de superfície i el dopatge, entre altres, s'investiguen en aquest punt. El capítol 7 continua l'estudi anterior sobre el CeO2, però ara des del punt de vista de la química teòrica. Presenta en primer lloc un es- tudi sistemàtic de paràmetres relacionats amb la mecànica quàntica que afecten al CeO2, amb l'objectiu d'aconseguir una descripció satisfactòria pels models teòrics d'aquest òxid. Després, es duu a terme un estudi del mecanisme de reacció en aquests models de CeO2, a fi de com- prendre l'origen de la seua activitat catalítica. El capítol 8 presenta de forma estructurada i concisa totes les conclusions que s'han extret arran dels resultats obtinguts. Encara que cada capí- tol presenta les seues corresponents conclusions al final, ací es presenten d'una forma agrupada per a la comoditat del lector, per què puga obtindre de forma àgil una visió global dels result d'una forma agrupada per a la comoditat del lector, per què puga obtindre de forma à / López Auséns, JT. (2016). From Quantum Mechanics to Catalysis: Studies on the oxidation of alkanes by gold and metal oxides [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/76806 / TESIS

In this work ways of preparation of thin epitaxial cerium oxide film on Cu(110) surface were studied. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray photoelectron difraction (XPD), low energy electron difraction (LEED), ion scattering spectroscopy (ISS) and scanning tunneling microscopy (STM) were used for the characterization of prepared systems. The island structure of CeO2 was prepared by the method of reactive evaporation in oxygen atmosphere. The influence of temperature on the electronic structure and morphology was studied. At the temperature above 550 ˚C partial reduction to Ce2O3 and reordering of the islands to the CeO2(331) structure was observed. The ceria promoted oxidation of copper surface was approved, since the clean c(6x2) reconstruction of the surface was observed at the oxygen exposure 1,5 order of magnitude lower then on Cu(110) alone. The other model system was prepared by cerium evaporation to the oxygen precovered Cu(110) surface. The mix of (2x1) and c(6x2) surface reconstruction was formed by oxygen exposition at 300 ˚C. Cerium was deposited on this surface, also at 300 ˚C. During the following heating to 500 ˚C the formation of epitaxial film Ce2O3(0001) was observed, accompanied by the formation of large hundreds nm long smooth band structures in the [11̄0] direction.