Poröse Materialien zeichnen sich durch hohe spezifische Oberflächen bzw. hohe spezifische Porenvolumina aus. Dies macht sie zu geeigneten Kandidaten für die Gasspeicherung, Stofftrennung und die heterogene Katalyse, die Hauptanwendungsgebiete poröser Materialien. Um poröse Materialien hinsichtlich der eben genannten Anwendungsfelder zu optimieren ist es von entscheidender Bedeutung, sie hinsichtlich ihrer jeweiligen Anwendung maßzuschneidern. Eine Klasse hochporöser Materialien, bei der das Maßschneidern der Poren möglich ist, ist die der metallorganischen Gerüstverbindungen [engl. Metal-Organic Frameworks (MOFs)]. MOFs zeichnen sich durch einen modularen Aufbau aus, der ein systematisches Design der Poren erlaubt. Auch poröse Polymere können durch Funktionalisierung der entsprechenden Monomere hinsichtlich verschiedener Anwendungsgebiete gezielt synthetisiert werden. Ein Ziel dieser Arbeit war die Integration des Metalls Rhodium als knotenbildendes Element in ein MOF. Dazu wurde Rhodium(II)-acetat, welches bereits das Schaufelradmotiv enthält, mit den trifunktionellen Carbonsäuren Trimesinsäure und 4,4´,4´´ Benzen-1,3,5-triyl-tribenzoesäure zu den MOFs DUT 82 und DUT 83 umgesetzt. Das Schaufelradmotiv als sekundäre Baueinheit in DUT-82 konnte durch röntgenabsorptionspektroskopische Untersuchungen nachgewiesen werden. Nach überkritischem Trocknen gefolgt von thermischer Aktivierung zeigten DUT-82 und DUT-83 eine permanente Porosität mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1150 m2g-1. Weiterhin konnte für DUT-82 eine sehr hohe Affinität zu Kohlenmonoxid, die selten für MOFs beobachtet wird, nachgewiesen werden. Berechnungen der Adsorptionsenthalpie ergaben bei niedrigen Beladungen einen Wert von ungefähr 50 kJmol-1, was für eine Chemisorption von Kohlenmonoxid an DUT-82 bei niedrigen Drücken spricht. Weiterhin zeigten katalytische Untersuchungen, dass sich DUT-82 als heterogener Hydrierkatalysator eignet. In einer Modellreaktion konnte Styrol erfolgreich zu Ethylbenzen umgesetzt werden. In einem weiteren Teil der Arbeit sollte ein MOF synthetisiert werden, das Stabilität und eine hohe Kapazität für Schwefelwasserstoff miteinander vereint. Eine Klasse bereits bekannter MOFs mit hoher Stabilität basiert auf dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster. Durch Kombination des [Zr6O4(OH)4]12+-Clusters mit Bipyridindicarboxylat konnte das MOF UiO-67(bipy) hergestellt werden, welches isostrukturell zu UiO 67 ist. Untersuchungen an UiO 67(bipy) zeigten, dass das unbeladene Netzwerk keinen Schwefelwasserstoff adsorbiert. Die Bipyridinfunktionalität wurde anschließend für die permanente Integration weiterer Metallzentren (Metall = Cu, Ni, Co) genutzt. Dazu wurde UiO-67(bipy) zu wässrigen oder ethanolischen Metallsalzlösungen gegeben und es kam zur Adsorption der Metallsalze aus der Flüssigphase. Durch die postsynthetische Integration der Metallsalze konnte die Adsorptionskapazität der resultierenden Metallsalz@UiO-67(bipy)-Materialien für Schwefelwasserstoff bis auf 8 Gew.% gesteigert werden. Neben Adsorption und Katalyse ist die Sensorik ein weiteres Anwendungsfeld von MOFs. Eine organische Einheit, die sich als sensitive Komponente für eine Integration in ein MOF anbietet, ist Dihydro-1,2,4,5-tetrazin, das zu 1,2,4,5-Tetrazin oxidiert werden kann. Das bemerkenswerte Merkmal dieser Reaktion ist der radikale Farbwechsel von Gelb nach Pink. Nach erfolgreicher Synthese der Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarbonsäure sollte sie durch Kombination mit dem [Zr6O4(OH)4]12+-Cluster zu einem UiO-66 analogen Netzwerk in ein stabiles Netzwerk integriert werden. Da die direkte Syntheseroute eines UiO-66 analogen Netzwerks nicht zum Erfolg führte, wurde die mildere Variante des Linkeraustauschs gewählt. Über diese Route konnte das Dihydro-1,2,4,5-tetrazindicarboxylat erfolgreich partiell in das UiO-66 Netzwerk integriert werden. Anschließende Untersuchungen zeigten, dass die in das Netzwerk eingebaute Dihydro-1,2,4,5-tetrazin-Einheit sowohl in der Flüssig- als auch in der Gasphase erfolgreich oxidiert werden kann, was durch UV/vis-Messungen belegt werden konnte. Eine weitere Klasse poröser Materialien, die hervorragende chemische Stabilität aufweist, ist die der konjugierten Triazin-Netzwerke. Sie entstehen durch Cyclotrimerisierung multifunktioneller Nitrile. Durch geschickte Wahl der Monomere ist eine Funktionalisierung der Triazin-Netzwerke möglich. Um ein chirales Triazin-Netzwerk zu synthetisieren, wurde Spirobiindan erfolgreich mit Nitrilgruppen funktionalisiert. Die Umsetzung des Monomers in einer Zinkchlorid-Schmelze führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 1180 m2g 1. Dabei konnte die Porengrößenverteilung des Triazin-Netzwerkes durch Variation des Verhältnisses von Zinkchlorid zu Monomer gezielt eingestellt werden. Die Polymersynthese erfolgte mit einer racemischen Mischung des Monomers und führte somit zu einem achiralen Polymer. Erste Untersuchungen zeigten, dass eine Trennung des racemisch vorliegenden Monomers mittels Hochleistungsflüssigchromatographie möglich ist. Die Imidazoliumgruppe ist eine weitere Baueinheit, die in Triazin-Polymere integriert werden sollte, da sie leicht in ein N-Heterocyclisches Carben überführt werden kann. N-Neterocyclische Carbene können direkt als Katalysator bzw. als Ligand für eine Vielzahl von Metallen zur Generierung eines Katalysators genutzt werden. Über mehrstufige Synthesen konnten zwei nitrilfunktionalisierte Imidazoliumsalze hergestellt werden. Die anschließende Cyclotrimerisierung führte zu porösen Polymeren mit spezifischen BET-Oberflächen von bis zu 680 m2g-1. Erste katalytische Untersuchungen zum Einsatz dieser Triazin-Netzwerke in Umpolungsreaktionen von Zimtaldehyd mit 2,2,2 Trifluoracetophenon zeigten jedoch lediglich einen geringen Umsatz zum gewünschten Produkt.

Im Rahmen dieser Dissertation wurden Hydrotalcit-basierte Nickelkatalysatoren zur CO2-Methanisierung synthetisiert, charakterisiert und katalytisch untersucht. Dabei konnten durch mehrere Ansätze deutliche Verbesserungen der katalytischen Aktivität erzielt werden. Einen wesentlichen Effekt zeigte dabei die Kombination der üblicherweise separat durchgeführten Präparationsschritte der Calcination und der Reduktion. Dadurch ließ sich die notwendige Reduktionstemperatur senken, was zum Erhalt einer größeren Katalysatoroberfläche führte. Zusätzlich wurde eine Vielzahl von Promotoren in Hydrotalcit-basierten Nickelkatalysatoren systematisch und vergleichend untersucht. Eine solche Untersuchung lässt sich in der Literatur bisher nicht finden. Dabei kristallisierte sich insbesondere Mangan als vielversprechender Promotor heraus. Spektroskopische Untersuchungen zum Einfluss des Mangans zeigten, dass Mangan die Bindungsstärke des Kohlenstoffdioxids am Katalysator erhöht. Durch Variation des Mangangehaltes ließ sich entsprechend die Bindungsstärke einstellen und somit die Katalysatoraktivität optimieren.

Sol-gel-based silica monoliths with hierarchical mesopores/macropores are promising catalyst support and flow reactors. Here, we report the successful preparation of cylindrically shaped Pt-loaded silica monoliths (length: 2 cm, diameter: 0.5 cm) with a variable mean macropore width of 1, 6, 10, or 27 μm at a fixed mean mesopore width of 17 nm. The Pt-loaded monolithic catalysts were housed in a robust cladding made of borosilicate glass for use as a flow reactor. The monolithic reactors exhibit a permeability as high as 2 μm2 with a pressure drop below 9 bars over a flow rate range of 2–20 cm3 min−1 (solvent: water). The aqueous-phase hydrogenation of p-nitrophenol to p-aminophenol with NaBH4 as a reducing agent was used as a test reaction to study the influence of mass transfer on catalytic activity in continuous flow. No influence of flow rate on conversion at a fixed contact time of 2.6 s was observed for monolithic catalysts with mean macropore widths of 1, 10, or 27 µm. As opposed to earlier studies conducted at much lower flow velocities, this strongly indicates the absence of external mass-transfer limitations or stagnant layer formation in the macropores of the monolithic catalysts.

[pt] Esta tese investigou a síntese de metanol via hidrogenação do CO2 empregando dois conjuntos de catalisadores. O primeiro é composto pelos tradicionais catalisadores de Cu/ZnO/Al e o segundo aborda os catalisadores de In2O3 e ZrO2. Com relação ao Cu/ZnO/Al, foram preparados quatro amostras via coprecipitação. Os resultados mostraram que há um teor ótimo (3,8 por cento at.) de Al para a qual se observa uma maior taxa de formação de metanol. Os catalisadores foram caracterizados por fisissorção de N2, titulação com N2O,espectroscopia de absorção atômica, ICP, DRX, XPS, TPD-(CO2,NH3 e H2O), TPSR-CO2/H2, TEM/HRTEM/EDS. Uma correlação entre a taxa de formação de metanol e a quantidade de vacâncias de oxigênio superficiais do catalisador foi observada. Foi verificado que o Al atua como um promotor na geração de vacâncias de oxigênio. Com relação aos sistemas de In2O3, foi realizado um screening e selecionado nove catalisadores. Esses sólidos foram caracterizados pelas seguintes técnicas: DRX, TPD-NH3, TPD-CO2, TPR-H2 e TPSR-CO2/H2. Foi realizado um estudo em dinâmica molecular clássica investigando os efeitos da dopagem do In2O3 e da interação entre o In2O3 e o ZrO2 e relacionando os resultados com a performance dos catalisadores. O melhor desempenho catalítico foi obtido para o inédito catalisador de 0,6Pt-In2O3+6ZnZrO2, sendo esse desempenho associado à presença de vacâncias. Além disso, pelos cálculos teóricos de dinâmica molecular foi verificado que tanto a mistura física quanto a dopagem do In2O3 podem promovem a mobilidade de oxigênio da rede dos óxidos, o que facilita a formação de vacâncias de oxigênio. Sendo assim, os dois conjuntos de catalisadores estudados mostram que as vacâncias de oxigênio têm papel central na formação do metanol a partir da hidrogenação do CO2. As informações geradas neste trabalho contribuirão para o desenvolvimento de catalisadores promissores para a futura exploração industrial da geração de metanol a partir de CO2. / [en] This thesis investigated methanol synthesis via CO2 hydrogenation using two sets of catalysts. The first set consists of the traditional Cu/ZnO/Al catalysts and the second set involves In2O3 and ZrO2 catalysts. Concerning Cu/ZnO/Al, four samples were prepared via coprecipitation. The results showed that there is an optimum Al content (3.8 percent at.) for which a higher methanol formation rate is observed. The catalysts were characterized by N2 physisorption, titration with N2O, atomic absorption spectroscopy, ICP, XRD, XPS (CO2,NH3 and H2O)-TPD, CO2/H2-TPSR, TEM/HRTEM/EDS. A correlation was observed between the rate of methanol formation and the amount of surface oxygen vacancies on the catalyst. It was found that Al acts as a promoter in the generation of oxygen vacancies. Regarding the In2O3 systems, a screening was carried out and nine catalysts were selected. These solids were characterized using the following techniques: XRD, NH3- TPD, CO2-TPD, TPR-H2 and CO2/H2-TPSR. A classical molecular dynamics study was carried out investigating the effects of doping In2O3 and the interaction between In2O3 and ZrO2 and relating the results to the performance of the catalysts. The best catalytic performance was obtained for the new 0,6Pt-In2O3+6ZnZrO2 catalyst, and this performance was associated with the presence of vacancies. In addition, molecular dynamics calculations showed that both the physical mixture and the doping of In2O3 can promote the mobility of oxygen in the oxide lattice, facilitating the formation of oxygen vacancies. Thus, the two sets of catalysts studied show that oxygen vacancies play a central role in the formation of methanol from the hydrogenation of CO2. The information generated in this work will contribute to the development of promising catalysts for the future industrial exploitation of methanol generation from CO2.

Single-atom and cluster catalysts have been receiving significant interest due to not only their capability to approach the limit of atom efficiency but also to explore fundamentally unique properties. Supported Pt-group single atoms and clusters catalysts in the subnanometer size regime maximize the metal utilization and were reported to have extraordinary activities and/or selectivities compared with nanoparticles for various reactions including hydrogenation reactions. However, the relationship between metal nuclearity, electronic and their unique catalytic properties are still unclear. Thus, it is crucial to establish their relations for better future catalyst design. Ethylene hydrogenation and acetylene hydrogenation are two important probe reactions with the simplest alkene and alkyne, and they have been broadly studied as the benchmark reactions on the various catalyst systems. However, the catalytic properties and reaction mechanism of those hydrogenation reactions for metal nuclearitiy in the subnanometer regime is still not well understood. In this study, we applied different characterization techniques including x-ray absorption fine structure (XAFS), X-ray diffraction (XRD), X-ray photoelectron spectroscopy(XPS), diffuse reflectance infrared spectroscopy (DRIFTS), calorimetry and high-resolution scanning transmission electron microscopy (STEM) to investigate the structure of Pt/TiO2 and Pd/COF single-atom catalysts and tested their catalytic properties for hydrogenation reactions. In order to develop such relations, we varied the nuclearity of Pt supported on TiO2 from single atoms to subnanometer clusters to larger nanoparticles. For acetylene hydrogenation, Pt in the subnanometer size regime exhibits remarkably high selectivity to ethylene compared to its nanoparticle counterparts. The high selectivity is resulted from the decreased electron density on Pt and destabilization of C2H4, which were rationalized by X-ray photoelectron spectroscopy and calorimetry results. On the other hand, the activity of H2 activation and acetylene hydrogenation decreased as Pt nuclearity decreased. Therefore, our results show there's a trade-off between activity and selectivity for acetylene hydrogenation. Additionally, the kinetics measurements of ethylene hydrogenation and acetylene hydrogenation were performed on Pt/TiO2 catalysts, and they found to be structure sensitive for both reactions, which the reaction orders and activation energy changes as particles size change. The activity of ethylene hydrogenation decreases, and activation energy increase from 43 to 86 kJ/mol, as Pt nuclearity decreased from an average size of 2.1 nm to 0.7 nm and single atoms. The reaction orders in hydrocarbons (ethylene and acetylene) were less negative on subnanometer clusters and single atoms in contract to nanoparticles. The results imply that hydrocarbons, ethylene and acetylene species, do not poison the catalyst on Pt in the subnanometer size regime, and hydrogen activation turn to competitive adsorption path with surface hydrocarbons species. Moreover, single atom Pd supported on imine-linked covalent organic framework was synthesized, characterized by a various of techniques including X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), X-ray absorption spectroscopy (XAS), and diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy (DRIFTS) of adsorbed CO, and evaluated its catalytic properties for ethylene hydrogenation. The XAS results show that Pd atoms are isolated and stabilized by two covalent Pd–N and Pd-Cl bonds. DRIFTS of CO adsorption shows a sharp symmetrical peak at 2130 cm−1. The Pd single atoms are active for hydrogenation of ethylene to ethane at room temperature. The reaction orders in C2H4 and H2 were 0.0 and 0.5 suggesting that ethylene adsorption is not limiting while hydrogen forms on Pd through dissociative adsorption. / Doctor of Philosophy / More than 90% of chemicals come from petroleum and natural gas, and most of these chemicals are composed of alkene and alkyne, hydrocarbons containing at least one double bonds or triple bonds, such as ethylene, propylene, butenes, butadiene. These small hydrocarbon molecules with carbon-carbon bonds (double or triple) are in great interest of fundamental study and serve as probe units for understanding more complex reactions. Catalysts are materials that can be added to a chemical reaction to accelerate the specific rate of reactions. Most catalysts are supported noble metals thus increase the utilization of metal atoms are important. Decreasing the particle size to increase the metal dispersion is the simple approach to maximize the atom efficiency. However, it is not well understood how do the electronic property and catalytic performance change as particle size decrease. In this work, we focus on the structure sensitivity on catalysts in sub-nanometer region. Supported Pt and Pd catalysts, known to be highly active for hydrogenation reactions, are studied on hydrogenation reactions of acetylene and ethylene, the simplest alkene and alkyne. The Pd and Pt catalysts with particle sizes ranging from single atoms, sub-nanometer clusters and nanoparticles were prepared, characterized and tested for hydrogenation reactions mentioned above. The results show that significantly change in electronic property, catalytic performance (activity and/or selectivity) and reaction kinetics of the catalysts as the particle size changing from nanometer to sub-nanometer region. The fundamental understanding of structure sensitivity on catalysts and their relations between surface structure, electronic property and catalytic performance presented in this work can help the researchers design better catalysts for future work.

[ES] La presente tesis doctoral se desarrolla en el ámbito de la catálisis, la cual está enmarcada dentro del concepto de Química Sostenible. En concreto, la investigación se ha centrado en el desarrollo y aplicación de nuevos catalizadores basados en nanopartículas metálicas coloidales y soportadas para llevar a cabo reacciones de interés. Todas las MNPs sintetizadas en esta tesis doctoral se llevaron a cabo a partir de la aproximación organometálica, donde generalmente se descompone un precursor organometálico bajo condiciones suaves de reacción y en presencia de un agente estabilizador (molécula orgánica o soporte). En el Capítulo 4 de la tesis, se ha descrito el primer ejemplo de estabilización de Ru NPs con una nueva familia de ligandos policíclicos aromáticos no planos, denominados nanografenos (hept-HBC). Específicamente, se han utilizado dos tipos distintos de nanografeno distorsionado: i) uno funcionalizado con un grupo carbonilo, y ii) otro funcionalizado con una grupo metileno en la misma posición (Ru@1 y Ru@2, respectivamente). Gracias a la similitud con los sistemas basados en MNPs soportadas en grafeno o derivados, este material puede utilizarse como referencia para estudiar los modos de coordinación y las dinámicas de estos con la superficie de la nanopartícula. A partir de un estudio combinado teórico/experimental se ha demostrado que la curvatura de los nanografenos hept-HBC es crucial para la estabilización de las Ru NPs. Por último, se ha evaluado la actividad catalítica de estas Ru NPs en la hidrogenación de multitud de sustratos aromáticos, observándose diferencias significativas en función del ligando estabilizador utilizado. En el Capítulo 5 se ha investigado la formación de MNPs a través de la aproximación organometálica utilizando el óxido de grafeno reducido dopado con átomos de nitrógeno (NH2-rGO) como soporte. En la primera parte del capítulo, sintetizamos Ru NPs soportadas sobre NH2-rGO (Ru@NH2-rGO) y rGO (Ru@rGO), con la intención de investigar el rol de los átomos de N en la estabilización de las MNPs, así como en su actividad catalítica. Para ello, se estudió la hidrogenación del ácido palmítico a 1-hexadecanol, siendo el Ru@NH2-rGO el catalizador heterogéneo monometálico de Ru más activo y selectivo reportado hasta la fecha (99% conversión y 93 % selectivo). En la segunda parte del capítulo, generamos PtRu NPs con distintas composiciones atómicas (5:1, 1:1 y 1:5) sobre NH2-rGO, siguiendo la aproximación organometálica. La misma velocidad de descomposición de los precursores Pt(NBE)3 y Ru(COD)(COT) nos permitió generar las NPs de tipo aleación. Estos sistemas bimetálicos (PtxRuy@NH2-rGO) se estudiaron en la hidrogenación de multitud de compuestos con grupos polares (C=O), observándose diferencias significativas en función del soporte utilizado y la composición atómica de las MNPs. Por último, en el Capítulo 6 se investigó el uso de nanopartículas magnéticas (MagNPs) para emitir calor por pérdidas de histéresis en presencia de un campo magnético oscilante de alta frecuencia. En primer lugar, se generaron nuevos agentes calefactores basados en MagNPs bimetálicas de tipo "core-shell" de CoNi encapsuladas en carbono (Co@Ni@C), con el objetivo de hidrogenar selectivamente el CO2 a CO (RWGS) obteniéndose excelentes resultados catalíticos. Por último, también presentamos la síntesis de una nueva MagNP de tipo "core-shell" (FeCo@Ni) para su aplicación en catálisis inducida magnéticamente en disolución, siendo capaz de modular su selectividad al producto de la hidrogenación o de la hidrodesoxigenación del HMF en función del campo magnético aplicado. Además, después de su encapsulación en carbono (FeCo@Ni@C) han demostrado ser activas, selectivas y estables en la reducción de multitud de sustratos oxigenados derivados de la biomasa en medio acuoso, siendo el primer ejemplo reportado hasta la fecha de catálisis magnética realizada en agua. / [CAT] La present Tesi Doctoral es desenvolupa en l'àmbit de la catàlisi, la qual està emmarcada dins del concepte de Química Sostenible. Concretament, la investigació s'ha centrat en el desenvolupament i aplicació de nous catalitzadors basats en nanopartícules metàl·liques col·loïdals i suportades per dur a terme reaccions d'interès. Totes les MNPs sintetitzades en aquesta tesi doctoral es van dur a terme a partir de l'aproximació organometàl·lica, on generalment es descompon un precursor organometàl·lic sota condicions suaus de reacció i en presència d'un agent estabilitzador (molècula orgànica o suport). En el Capítol 4 de la Tesi, s'ha descrit el primer exemple d'estabilització de Ru NPs amb una nova família de lligands policíclics aromàtics no plans, denominats nanografens (hept-HBC). Específicament, s'han utilitzat dos tipus diferents de nanografen distorsionat: i) un funcionalitzat amb un grup carbonil, i un altre ii) funcionalitzat amb un grup metilè en la mateixa posició (Ru@1 i Ru@2, respectivament). Gràcies a la similitud amb els sistemes basats en MNPs suportades en grafè o derivats, aquest material pot utilitzar-se com a referència per a estudiar els modes de coordinació i dinàmiques d'aquests amb la superfície de la nanopartícula. A partir d'un estudi combinat teòric/experimental s'ha demostrat que la curvatura dels nanografens hept-HBC és crucial per a l'estabilització de les Ru NPs. Finalment, s'ha avaluat l'activitat catalítica d'aquestes Ru NPs en la hidrogenació de multitud de substrats aromàtics, observant diferències significatives en funció del lligand estabilitzador utilitzat. En el Capítol 5 s'ha investigat la formació de MNPs a través de l'aproximació organometàl·lica utilitzant l'òxid de grafè reduït dopat amb àtoms de nitrogen (NH2-rGO) com a suport. En la primera part del capítol, vam sintetitzar Ru NPs suportades sobre NH2-rGO (Ru@NH2-rGO) i rGO (Ru@rGO), amb l'intenció d'investigar el paper dels àtoms de N en l'estabilització de les MNPs, així com en la seua activitat catalítica. Per a això, es va estudiar la hidrogenació de l'àcid palmític a 1-hexadecanol, sent el Ru@NH2-rGO el catalitzador heterogeni monometàl·lic de Ru més actiu i selectiu reportat fins a la data (99% conversió i 93 % selectiu). En la segona part del capítol, es van generar PtRu NPs amb diferents composicions atòmiques (5:1, 1:1 i 1:5) sobre NH2-rGO, seguint l'aproximació organometàl·lica. La mateixa velocitat de descomposició dels precursores Pt(NBE)3 i Ru(COD)(COT) ens va permetre generar les NPs de tipus aliatge. Aquests sistemes bimetàl·lics (PtxRuy@NH2-rGO) es van estudiar en la hidrogenació de multitud de compostos amb grups polars (C=O), observant-se diferències significatives en funció del suport utilitzat i la composició atòmica de les MNPs. Finalment, en el Capítol 6 es va investigar l'ús de nanopartícules magnètiques (MagNPs) per emetre calor per pèrdues d'histèresi en presència d'un camp magnètic oscil·lant d'alta freqüència. En primer lloc, es van generar nous agents calefactores basats en generar MagNPs bimetàl·liques de tipus "core-shell" de CoNi encapsulades en carbó (Co@Ni@C), amb l'objectiu d'hidrogenar selectivament el CO2 a CO (RWGS) obtenint excel·lents resultats catalítics. Finalment, també presentem la síntesi d'una nova MagNP de tipus "core-shell" (FeCo@Ni) per a la seva aplicació en catàlisi induïda magnèticament en solució, demostrant ser capaç de modular la seva selectivitat al producte de l'hidrogenació o de l'hidrodesoxigenació del HMF en funció del camp magnètic aplicat. A més, després de la seva encapsulació en carbó (FeCo@Ni@C) han demostrat ser actives, selectives i estables en la reducció de multitud de substrats oxigenats derivats de la biomassa en medi aquós, sent el primer exemple reportat fins a la data de catàlisi magnètica realitzada en aigua. / [EN] This Doctoral Thesis is developed in the field of catalysis, which is framed within the concept of Sustainable Chemistry. Specifically, the research has focused on the development and application of new catalysts based on colloidal and supported metallic nanoparticles to carry out relevant catalytic reactions. All the MNPs synthesized in this doctoral thesis were carried out from the organometallic approach, where an organometallic precursor is generally decomposed under mild conditions, room temperature and 3 bar H2, in the presence of a stabilizing agent (organic molecule, polymer, or support). The catalytic properties of MNPs are greatly influenced by the stabilizing agents used, which are capable of modifying their electronic and steric properties. Therefore, the search for new ligands capable of modulating these properties is of great scientific interest. In Chapter 4 of the Thesis, we describe the first example of Ru NPs stabilized with a new family of non-planar polycyclic aromatic ligands, called nanographenes (hept-HBC). Specifically, two different types of distorted nanographene have been used: i) one functionalized with a carbonyl group, and another ii) functionalized with a methylene group in the same position (Ru@1 and Ru@2, respectively). Thanks to the resemblance with systems based on supported-MNPs on graphene or derivatives, this material can be used as a reference to study the coordination modes and dynamics of these with the surface of the nanoparticle. A combined theoretical/experimental study revealed that the curvature of hept-HBC nanographenes is crucial for the stabilization of Ru NPs. Finally, the catalytic activity of these Ru NPs has been evaluated in the hydrogenation of multitude of arenes, observing significant differences depending on the stabilizing ligand used. In Chapter 5, the formation of MNPs through the organometallic approach was investigated using reduced graphene oxide N-doped (NH2-rGO) as support. In the first part of the chapter, Ru NPs supported on NH2-rGO (Ru@NH2-rGO) and rGO (Ru@rGO) were synthesized, with the aim of investigating the role of N atoms in the stabilization of the MNPs, as well as their catalytic activity. For this purpose, the hydrogenation of palmitic acid to 1-hexadecanol was studied, and Ru@NH2-rGO was found to be the most active and selective monometallic Ru-based heterogeneous catalyst reported to date (99% conversion and 93% selectivity). In the second part of the chapter, PtRu NPs with different atomic compositions (5:1, 1:1, and 1:5) were generated on NH2-rGO using the organometallic approach. The same decomposition rate of Pt(NBE)3 and Ru(COD)(COT) precursors allowed us to generate alloy-type NPs. These bimetallic systems (PtxRuy@NH2-rGO) were studied in the hydrogenation of a variety of compounds with polar groups (C=O), and significant differences were observed depending on the support used and the atomic composition of the MNPs. Finally, in Chapter 6 the use of magnetic nanoparticles (MagNPs) for heat generation through hysteresis losses in the presence of a high-frequency oscillating magnetic field was investigated. Firstly, new heat-generating agents based on bimetallic core-shell type CoNi MagNPs encapsulated in carbon (Co@Ni@C) were synthesized with the aim of selectively hydrogenate CO2 to CO (RWGS), obtaining excellent catalytic results. Finally, a new core-shell type MagNP (FeCo@Ni@C), the MagNPs proved to be active, selective, and stable in the reduction of several oxygenated substrates derived from biomass in aqueous media, being the first reported example of magnetic catalysis performed in water to date. In Chapter 6, the crucial role of MagNP encapsulation was demonstrated, where carbon not only limits the total oxidation of MagNPs but also prevents their sintering at high temperatures (~ 700 °C) in gas phase and avoids their aggregation in liquid phase. / Cerezo Navarrete, C. (2023). Aplicación catalítica de nuevos nanosistemas obtenidos a partir de la aproximación organometálica [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/196366

Tesis por compendio / [ES] El consumo actual de combustibles fósiles supone la emisión de millones de megatones de CO2 cada año, lo que ha tenido consecuencias potencialmente catastróficas como el efecto invernadero, la acidificación de los océanos y la eutrofización de las aguas, entre otras. Por lo tanto, la utilización de CO2 para la producción de combustibles y productos químicos de valor ha atraído mucho interés a lo largo de los años, especialmente empleando luz solar. A lo largo de los años, se han probado una gran variedad de materiales para tecnologías fotocatalíticas, principalmente TiO2, CdS, LDH, MOF y nitruros de carbono, entre otros. A pesar de esto, todos estos materiales adolecen de importantes inconvenientes, como una insuficiente captación de luz, estabilidad o baja producción. Y, por lo tanto, su aplicación en posibles tecnologías industriales fotocatalíticas es muy limitada a nivel industrial. Además de los procesos fotocatalíticos, que se componen principalmente de portadores de carga fotogenerados que facilitan las reacciones redox, los procesos fototérmicos representan una alternativa atractiva para las futuras tecnologías solares. La amplia utilización del espectro solar, el rápido calentamiento por irradiación de luz a través de "nanocalentadores" y "electrones calientes" que interactúan con sustratos son algunas de las características que conducen a los altos rendimientos catalíticos que generalmente se observan en las reacciones fototérmicas. En la presente tesis doctoral, se han empleado diferentes materiales, como clústeres de Fe incrustados en grafeno dopado con nitrógeno, hidroxiapatita dopada con Co y nanopartículas de Ru soportadas sobre titanato de estroncio, como catalizadores fototérmicos para la hidrogenación selectiva de CO2 a CO o metano, tanto en flujo discontinuo como continuo. Admás, se han investigado muchos factores que influyen en esta reacción, como la naturaleza de los grupos/nanopartículas metálicas incrustadas, las cantidades de dopantes y la influencia de la irradiación incidente, entre otros. Además de la catálisis fototérmica, la actual tesis doctoral también aborda procesos fotocatalíticos como la ruptura del agua o la reducción del O2 a H2O2, empleando nuevos compuestos de nitruro de carbono. Ya sea sensibilizando el fotocatalizador para la absorción de luz visible o mejorando las propiedades electrónicas mediante la formación de heterouniones, se lograron resultados fotocatalíticos notables. / [CA] El consum actual de combustibles fòssils suposa l'emissió de milions de megatons de CO2 cada any, cosa que ha tingut conseqüències potencialment catastròfiques com l'efecte hivernacle, l'acidificació dels oceans i l'eutrofització de les aigües, entre d'altres. Per tant, la utilització de CO2 per a la producció de combustibles i productes químics de valor ha atret molt interès al llarg dels anys, especialment emprant llum solar. Al llarg dels anys, s'han provat una gran varietat de materials per a tecnologies fotocatalítiques, principalment TiO2, CdS, LDH, MOF i nitrurs de carboni, entre d'altres. Tot i això, tots aquests materials pateixen importants inconvenients, com una insuficient captació de llum, estabilitat o baixa producció. I, per tant, la seva aplicació a possibles tecnologies industrials fotocatalítiques és molt limitada a nivell industrial. A més dels processos fotocatalítics, que es componen principalment de portadors de càrrega fotogenerats que faciliten les reaccions redox, els processos fototèrmics representen una alternativa atractiva per a les futures tecnologies solars. L'àmplia utilització de l'espectre solar, l'escalfament ràpid per irradiació de llum a través de "nanoescalfadors" i "electrons calents" que interactuen amb substrats són algunes de les característiques que condueixen als alts rendiments catalítics que generalment s'observen en les reaccions fototèrmiques. En aquesta tesi doctoral, s'han emprat diferents materials, com clústers de Fe incrustats en grafè dopat amb nitrogen, hidroxiapatita dopada amb Co i nanopartícules de Ru suportades sobre titanat d'estronci, com a catalitzadors fototèrmics per a la hidrogenació selectiva de CO2 a CO o metà, tant en flux discontinu com continu. A més, s'han investigat molts factors que influeixen en aquesta reacció, com ara la naturalesa dels grups/nanopartícules metàl·liques incrustades, les quantitats de dopants i la influència de la irradiació incident, entre d'altres. A més de la catàlisi fototèrmica, l'actual tesi doctoral també aborda processos fotocatalítics com ara la ruptura de l'aigua o la reducció de l'O2 a H2O2, emprant nous compostos de nitrur de carboni. Ja sigui sensibilitzant el fotocatalitzador per a l'absorció de llum visible o millorant les propietats electròniques mitjançant la formació d'heterounions, es van assolir resultats fotocatalítics notables. / [EN] Fossil fuel consumption accounts for millions of megatons of CO2 emitted every year, which has led to potentially catastrophic consequences such as the greenhouse effect, ocean acidification and water eutrophication, besides others. Thus, the utilization of CO2 for fuels and value chemicals has attracted much interest over the years, especially employing solar light. Over the years, a variety of promising materials have undergone trial for potential photocatalytic technologies, mainly TiO2, CdS, LDHs, MOFs and carbon nitrides among others, yet all these materials suffer from important drawbacks such as insufficient light harvesting, stability, or low production outputs, hence limiting their application in potential photocatalytic industrial technologies. Besides photocatalytic processes, mainly comprising of photogenerated charge carriers that facilitate redox reactions, photothermal processes represent an attractive alternative for future solar technologies. Broad utilization of the solar spectrum, strong heating upon light irradiation through "nano-heaters" and possibly "hot electrons" interacting with either semiconductors or substrate molecules are some characteristics that lead to the high catalytic outputs generally observed in photothermal reactions. In the current doctoral thesis, different materials such as Fe clusters imbedded on nitrogen doped graphene, Co doped hydroxyapatite and Ru nanoparticles supported on strontium titanate have been employed as photothermal catalysts for the photothermal hydrogenation of CO2 to either CO or methane, under both batch and flow conditions. Thus, many factors influencing this reaction have been investigated, such as the nature of embedded metallic clusters/nanoparticles, dopant amounts and the power of incident irradiation among others. Besides photothermal catalysis, the current doctoral thesis also addresses photocatalytic processes such as water splitting or O2 reduction to H2O2, employing novel carbon nitride composites. By either sensitizing the photocatalyst for visible light absorption or enhancing the electronic properties through heterojunction formation, remarkable photocatalytic outputs were achieved. / Szalad, H. (2024). Production of Solar Fuels Employing Different Materials Via Photocatalytic or Photothermal Pathways [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/206848 / Compendio

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit homogenkatalytisch gesteuerten Dehydrierungsreaktionen unter Verwendung von fluorierten und hochfluorierten Metallkomplexen. Reaktivitätsuntersuchungen wurden vorrangig in einem perfluorierten Lösungsmittel durchgeführt, in dem die hochfluorierten Komplexe besondere Löslichkeit aufwiesen. Ferner fand in überkritischem Kohlenstoffdioxid ebenfalls homogen katalysiert die Hydrierung eines Alkens mit hoher Umsatzzahl statt. Die Aktivierung der Katalysatorvorläufer erfolgte in allen Fällen photolytisch. Die Modifizierung bekannter Strukturmotive metallorganischer Komplexe wurde durch die Einfuhr unterschiedlich langer fluorierter Ketten der Art Rf = CH2CH2CnF2n+1 (2n+1 = 13, 17 bzw. 21 → Rf13, Rf17 bzw. Rf21) vorgenommen und somit die Fluorophilie beeinflusst. Es wurden Dicarbonylkomplexe der Art [M(pentahapto-C5H4Rf)(CO)2] (M = Rh, Ir) synthetisiert. Die Rhodiumverbindungen zeigten eine latente Instabilität und bildeten höhernukleare Zersetzungsprodukte. Unterschiedliche Substrate wie Methyliodid und primäre Silane konnten erfolgreich mit den mononuklearen Spezies umgesetzt und die Komplexe [Rh(pentahapto-C5H4Rf13)(COMe)(I)(CO)] und [Rh(pentahapto-C5H4Rf13)(H)(SiEt3)(CO)] isoliert sowie auf Reaktivität untersucht werden. Durch die Reaktion der Dicarbonylkomplexe mit ausgewählten Phosphanen waren Phosphan-basierte Spezies der Art [M(pentahapto-C5H4Rf)(CO)(PR3)] (M = Rh, Ir; R = Et, Ph, Rf13) zugänglich. Die Verbindungen mit Triethylphosphanliganden zeigten gute Löslichkeit in Perfluormethylcyclohexan und Reaktivität in der C‒H-Bindungsaktivierung unterschiedlicher Cycloalkane. Die höchste Reaktivität in einer Dehydrierung von Cyclooktan konnte unter Verwendung von [Rh(pentahapto-C5H4Rf21)(CO)(PRf13)3] beobachtet werden. Gelöst in überkritischem CO2 zeigte dieser Komplex ebenfalls katalytische Reaktivität bei der Hydrierung von 3,3-Dimethyl-1-buten. / This work involves studies with homogeneous catalytically dehydrogenation reactions in use of fluorinated and highly fluorinated metalorganic compounds. Reactivity test were primarily carried out in perfluorinated solvents in use of highly fluorinated complexes with particularly high solubility. Furthermore, the hydrogenation of an alkene was possible under homogeneous conditions in supercritical carbon dioxide with high turnover numbers. Activation of all catalytic precursors was made photolytic. Influence on fluorophilic characteristics of known metalorganic compound motivs was made by substitution of fluorinated sidechains such as Rf = CH2CH2CnF2n+1 (2n+1 = 13, 17 or 21 → Rf13, Rf17 or Rf21). Thus complexes with two carbonyl ligands were available in use of rhodium and iridium [M(pentahapto-C5H4Rf)(CO)2] (M = Rh, Ir). Compounds with rhodium center were potential instable and higher nuclear species are formed due to decomposition. Substrates like methyliodide and primary silanes have been successfully activated at the mononuclear species and the complexes [Rh(pentahapto-C5H4Rf13)-(COMe)(I)(CO)] und [Rh(pentahapto-C5H4Rf13)(H)(SiEt3)(CO)] have been isolated and examined for reactive properties. In the reaction of biscarbonylic compounds and samples of free phosphines complexes such as [M(pentahapto-C5H4Rf)(CO)(PR3)] (M = Rh, Ir; R = Et, Ph, Rf13) with different phosphine ligands were available. All compounds bearing the triethylphosphine ligand are showing good solubility in perfluor(methylcyclohexane) and also showing reactivity towards C‒H bonds at different cycloalkanes. Highest reactivity in dehydrogenation reactions were carried out with [Rh(pentahapto-C5H4Rf21)(CO)(PRf13)3] towards cyclooctane. Further, dissolved in supercritical carbon dioxide it shows catalytic reactivity in the hydrogenation of 3,3-dimethyl-1-butene.

Ceroxid (CeO2) wurde in den letzten Jahren als Katalysator für die Hydrierung von Alkinen zu Alkenen entdeckt und hat als solcher großes wissenschaftliches Interesse geweckt. Um weitere Einblicke in die Funktion von CeO2 in der Reaktion zu gewinnen, beschäftigt sich diese Arbeit mit der Adsorption von H2, CO2 und Propin, sowie mit der Interaktion von Hydroxylgruppen und Propin auf CeO2(111)-Oberflächen. Ein besonderer Fokus liegt dabei auf der Rolle von Sauerstoffleerstellen. / In recent years, ceria (CeO2) has attracted much scientific interest due to its activity as a catalyst in the selective hydrogenation of alkynes to alkenes. To gain further insights into the role of CeO2 in propyne hydrogenation, this thesis explores the fundamental processes of H2, CO2, and propyne adsorption, as well as the interaction of hydroxyls and propyne on well-defined CeO2(111) surfaces. A special emphasis thereby lies on the role of oxygen (O) vacancies in these processes.

Ce travail de thèse porte sur la synthèse de nouveaux composés chiraux à partir de l’isosorbide et de l’isomannide en vue de leurs applications en catalyse asymétrique. Dans une première partie, de nouvelles monophosphines ont été synthétisées et appliquées en tant que ligands dans la réaction d'hydrogénation asymétrique d’oléfines. Des excès énantiomériques jusqu’à 96% ont été observés. Elles ont également été employées en tant que catalyseurs organiques dans les réactions de cyclisation [3 +2]. De bonnes activités catalytiques et des excès énantiomériques modestes sont obtenus. Dans une deuxième partie, une série de composés azotés chiraux a été synthétisée en 3 à 4 étapes avec de bons rendements globaux. Ils ont été testés en tant que ligands dans la réaction de réduction de cétones aromatiques par transfert d’hydrogène. Des excès énantiomériques jusqu’à 73% ont été obtenus. La réaction d’addition de phénylacétylène sur d’imines a également été étudiée. Les complexes formés se sont montrés actifs mais pas très énantiosélectifs. Ces composés azotés ont également été utilisés en tant que catalyseurs organiques dans la réaction d’addition de Michael de cétones aromatiques sur le nitrostyrène. Toutefois, ils n’ont permis de conduire qu’à de faibles énantiosélectivités. Dans une dernière partie, des composés de type thiourée ont été synthétisés en 5 étapes. Ces thiourées ont été appliquées en catalyse organique dans la réaction d’alkylation de type Friedel-Crafts entre différents substrats indoliques et nitrooléfines, et dans la réaction d’addition conjuguée des hydroxylamines sur des pyrazoles pour la synthèse de dérivés β-aminoacides. Ces catalyseurs se sont révélés actifs mais peu énantiosélectifs. / The Thesis deals with the synthesis of new chiral compounds derived from isosorbide and isomannide and their applications to asymmetric catalysis. The first part of this work consisted in perfecting the chemical and enantioselective hydrogenation conditions of olefins using chiral monophosphines as ligands (up to 96% ee). These phosphines were also used as organocatalysts for [3+2] cyclisation reactions showing good catalytic activity and moderate enantioselectivity. The second part turned to the synthesis of a series of chiral nitrogen compounds which were evaluated in the asymmetric transfer hydrogenation of aromatic ketones giving good enantioselectivity (up to 73% ee). The complexes formed with amine ligands were also applied to the addition reaction of phenylacetylene to imines. Good catalytic activity but low enantioselectivity were observed. These nitrogen compounds were also used as organocatalysts in the Michael addition reaction of aromatic ketones to the nitrostyrene. Again, low enantiomeric excess was obtained. The last part of this work consisted in preparing new chiral thiourea compounds which were applied as organocatalysts to the Friedel-Crafts alkylation reaction of different indoles with nitroolefines, and to the conjugate addition reaction of hydroxylamines to pyrazoles derivatives for the synthesis of β-amino acids. In two cases, these catalysts have proved active but not enantioselective.