[ES] Teniendo en cuenta el agotamiento de los combustibles fósiles y la creciente concentración de CO2 en la atmósfera, la hidrogenación de CO2 es una forma prometedora de convertir el CO2 en productos químicos y combustibles de carbono de alto valor añadido. Considerando la gran influencia del tamaño de partícula, la composición química, la naturaleza del soporte y las condiciones de operación sobre el comportamiento catalítico de los catalizadores, se han desarrollado una serie de catalizadores para la hidrogenación de CO2 basados en metales abundantes no nobles y polisacáridos naturales como precursores del grafeno. En la presente tesis doctoral, las especies metálicas soportadas sobre una matriz de carbono grafítico defectuosa, con diferentes tamaños de partículas, muestran diferente actividad catalítica y selectividad para la hidrogenación de CO2. Se prepararon, de forma controlada, nanopartículas de aleaciones de Co y Co-Fe soportadas en grafenos dopados con N defectuosos, con una amplia distribución de tamaño de nanopartículas, para la reacción de Sabatier, presentando una selectividad a metano superior al 90% con valores de conversión de CO2 superiores al 85%. En el caso de un solo metal, Co o Fe, y sus aleaciones en forma de "clusters" y pequeñas nanopartículas soportadas en el mismo material, la selectividad de la hidrogenación de CO2 cambia a CO, en lugar de metano, obteniéndose un valor del 98 % y alcanzando una conversión de CO2 del 56%. Conviene resaltar que, los catalizadores basados en "clusters" de aleaciones de metal con una carga de metal incluso por debajo del 0.2 % en peso, exhiben una mayor selectividad y rendimiento que los que tienen nanopartículas de aleaciones de Co-Fe más grandes que varían de 1 a 4 nm y una carga de metal más alta en una composición similar. Siguiendo la línea de investigación de hidrogenación de CO2, se desarrollaron una serie de nanopartículas de aleaciones de Co-Fe soportadas sobre grafenos dopados con N defectuosos con distribución de tamaño de nanopartículas controlada en el rango de 7-17 nm, obteniendo una selectividad hacia hidrocarburos C2+ alrededor del 45% y una conversión del CO2 cercana al 60%. Además, se realizó un estudio comparativo de la actividad catalítica de catalizadores similares basados en Co-Fe con promotores e inhibidores para la hidrogenación de CO2, observando su influencia en la conversión y selectividad de CO2. Finalmente, además de los catalizadores basados en Co-Fe, también se han preparado catalizadores basados en Cu-ZnO mediante un método de dos pasos. Estas nanopartículas de Cu-ZnO soportadas sobre grafeno defectuoso dopado con N exhiben una alta selectividad hacia la conversión de CO2 a metanol. / [CA] Tenint en compte l'esgotament dels combustibles fòssils i la creixent concentració de CO2 en l'atmosfera, la hidrogenació de CO2 és una forma prometedora de convertir el CO2 en productes químics i combustibles de carboni d'alt valor afegit. Considerant la gran influència de la grandària de partícula, la composició química, la naturalesa del suport i les condicions d'operació sobre el comportament catalític dels catalitzadors, s'han desenvolupat una sèrie de catalitzadors per a la hidrogenació de CO2 basats en metalls abundants no nobles i polisacàrids naturals com a precursors del grafé. En la present tesi doctoral, les espècies metàl·liques suportades sobre una matriu de carboni grafític defectuosa, amb diferents grandàries de partícules, mostren diferent activitat catalítica i selectivitat per a la hidrogenació de CO2. Es van preparar, de manera controlada, nanopartícules d'aliatges de Co i Co-Fe suportades en grafens dopats amb N defectuosos, amb una àmplia distribució de grandària de nanopartícules, per a la reacció de Sabatier, presentant una selectivitat a metà superior al 90% amb valors de conversió de CO2 superiors al 85%. En el cas d'un sol metall, Co o Fe, i els seus aliatges en forma de "clústers" i xicotetes nanopartícules suportades en el mateix material, la selectivitat de la hidrogenació de CO2 canvia a CO, en lloc de metà, obtenint-se un valor del 98% i aconseguint una conversió de CO2 del 56%. Convé ressaltar que, els catalitzadors basats en "clústers" d'aliatges de metall amb una càrrega de metall fins i tot per davall del 0.2% en pes, exhibeixen una major selectivitat i rendiment que els que tenen nanopartícules d'aliatges de Co-Fe més grans que varien d'1 a 4 nm i una càrrega de metall més alta en una composició similar. Seguint la línia d'investigació d'hidrogenació de CO2, es van desenvolupar una sèrie de nanopartícules d'aliatges de Co-Fe suportades sobre grafens dopats amb N defectuosos amb distribució de grandària de nanopartícules controlada en el rang de 7-17 nm, obtenint una selectivitat cap a hidrocarburs C2+ al voltant del 45% i una conversió del CO2 pròxima al 60%. A més, es va realitzar un estudi comparatiu de l'activitat catalítica de catalitzadors similars basats en Co-Fe amb promotors i inhibidors per a la hidrogenació de CO2, observant la seua influència en la conversió i selectivitat de CO2. Finalment, a més dels catalitzadors basats en Co-Fe, també s'han preparat catalitzadors basats en Cu-ZnO mitjançant un mètode de dos passos. Aquestes nanopartícules de Cu-ZnO suportades sobre grafé defectuós dopat amb N exhibeixen una alta selectivitat cap a la conversió de CO2 a metanol. / [EN] Considering the depletion of fossil fuels and the increasing atmospheric CO2 concentration, CO2 hydrogenation is a promising way to convert CO2 into value-added carbon-containing chemicals and fuels. Taking into account the significant influences of the particle size, chemical composition, nature of the support, and operation conditions on the catalytic performance of catalysts, a series of catalysts for CO2 hydrogenation have been developed based on the use of abundant non-noble metals and natural polysaccharides as graphene precursors. In the present PhD Thesis, metal species supported on defective graphitic carbon matrix with different particle sizes show different catalytic activity and selectivity for CO2 hydrogenation. Under effective control, Co and Co-Fe alloy nanoparticles wrapped on defective N-doped graphenes with a broad nanoparticle size distribution were prepared and performed for the Sabatier reaction, exhibiting a selectivity to methane over 90 % at CO2 conversion values over 85 %. In the case of single Co or Fe metal and their alloys in the form of clusters and small nanoparticles wrapped on the same support, the selectivity for CO2 hydrogenation shifts to CO, rather than methane, reaching a conversion of 56 % with 98 % CO selectivity. It is worth noting that the metal alloy clusters-based catalysts with the metal loading even below 0.2 wt.% exhibit a higher selectivity and better performance than the ones with larger Co-Fe alloy nanoparticles ranging from 1-4 nm and higher metal loading in a similar composition. Following the research line for CO2 hydrogenation, a series of Co-Fe alloy nanoparticles supported on defective N-doped graphenes with controlled nanoparticle size distribution in the range of 7-17 nm are developed, obtaining a selectivity towards C2+ hydrocarbons about 45% with a CO2 conversion close to 60%. In addition, a comparative catalytic activity of similar Co-Fe-based catalysts with promoters and poison has been studied for CO2 hydrogenation to observe their influence on CO2 conversion and selectivity. Finally, besides Co-Fe-based catalysts, Cu-ZnO-based catalysts have also been prepared by a two-step method. These Cu-ZnO nanoparticles supported on N-doped defective graphene exhibit a high selectivity for CO2 conversion to methanol. / Peng, L. (2021). Metal Nanoparticles Wrapped on Defective Nitrogen-doped Graphitic Carbons as Highly Selective Catalysts for C02 Hydrogenation [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/172329

Tesis por compendio / [ES] El cambio climático es una de las amenazas de nuestro tiempo. Los gases de efecto invernadero, como el CO2, son los principales causantes de este fenómeno, siendo necesario disminuir urgentemente sus emisiones. En 2019, la Comisión Europa presentó el "Pacto Verde Europeo", que será clave para alcanzar un objetivo tremendamente ambicioso para nuestra región: la neutralidad climática de aquí a 2050. Las estrategias de descarbonización incluidas en su hoja de ruta van a implicar necesariamente la transición energética de los combustibles fósiles a las energías renovables, reduciendo de forma masiva la liberación de CO2. En este sentido, el desarrollo de tecnologías efectivas de Captura, Almacenamiento y Uso del Carbono (CAUC) permitirá la valorización del CO2, evolucionando hacia una economía de carbono circular. La presente Tesis Doctoral se enmarca en el diseño, síntesis y caracterización de sistemas catalíticos heterogéneos innovadores basados en metales capaces de transformar el CO2 en otros productos de valor añadido. Entre un amplio catálogo de reacciones que "conectan" el CO2 con diversos compuestos basados en carbono, esta Tesis se centrará principalmente en la síntesis de dos moléculas C1 plataforma de interés industrial: el metanol y el metano. Los Capítulos 3 y 4 están dedicados a la síntesis de metanol, un proceso exotérmico limitado termodinámicamente debido a la estabilidad inherente de la molécula de CO2, así como a la presencia de la reacción competitiva RWGS. Por un lado, el Capítulo 3 se centra en el efecto promotor del galio sobre las propiedades estructurales, electrónicas y catalíticas de materiales basados en Cu/ZnO (sistemas CZG). Mediante un enfoque espectroscópico-catalítico multidisciplinar se ha comparado el efecto promotor del Ga3+ dopado en la red de un ZnO tipo wurtzita presente en un catalizador Cu/ZnO/Ga2O3 con el de una fase de galato de zinc (ZnGa2O4). Por otro lado, en el Capítulo 4 se muestra un catalizador bifuncional que contiene nanopartículas de Cu de 2 nm y especies Cu+, con el objetivo de enfrentarse a la inherente baja actividad de estas pequeñas partículas, hecho que impide mejorar la eficiencia atómica de los catalizadores, dificultando así la obtención de resultados catalíticos competitivos en la hidrogenación de CO2. La realización de un estudio espectroscópico detallado (combinado con cálculo teórico y ensayos catalíticos) sobre un catalizador óxido mixto de Cu-Mg-Al derivado de un precursor de hidrotalcita tras calcinación y posterior reducción (CuHT-230) pone de manifiesto el papel clave de los iones Cu+ dopados en estructura en la producción de metanol. El éxito de las tecnologías CAUC a medio-largo plazo dependerá no solo del desarrollo de catalizadores competitivos, sino también de su capacidad para operar en condiciones de reacción más suaves, permitiendo que estos procesos sean viables económicamente. Por ello, el concepto de eficiencia energética se abordará en el Capítulo 5, a través de un innovador diseño de catalizador tipo "shell/core" formado por un núcleo de rutenio metálico y una envoltura de carburo de rutenio, sintetizado via hidrotermal. Este sistema (Ru@EDTA-20) exhibe una actividad excepcionalmente alta para la hidrogenación de CO2 a metano a bajas temperaturas (160-200 °C) con una selectividad a CH4 del 100%, superando a catalizadores de bibliografía que normalmente operan a mayores temperaturas (400-500 °C). Por último, en el Capítulo 6 se estudia un catalizador modelo compuesto por un alumino-silicato bidimensional sintetizado sobre una superficie de Ru(0001), investigación realizada durante mi estancia internacional en el Laboratorio Nacional de Brookhaven (Nueva York, EE.UU.). La combinación de estos materiales en el mismo composite permite la creación de un nanoespacio confinado que puede emplearse como nanorreactor. En este proyecto, se seleccionó la reacción de formación de agua como modelo, que se exploró a nivel fundamental en el sincrotrón NSLS-II. / [CA] El canvi climàtic és una de les amenaces del nostre temps. Els gasos d'efecte d'hivernacle, com el diòxid de carboni, són els principals causants d'aquest fenomen, sent necessari reduir urgentment les seues emissions. En 2019, la Comissió Europea va presentar el "Pacte Verd Europeu", que serà clau per a aconseguir un objectiu tremendament ambiciós per a la nostra regió: la neutralitat climàtica d'ací a 2050. Les estratègies de descarbonització incloses en el seu full de ruta implicaran necessàriament la transició energètica dels combustibles fòssils a les energies renovables, reduint de manera massiva l'alliberament de CO2. En aquest sentit, el desenvolupament de tecnologies efectives de Captura, Emmagatzematge i Ús del Carboni (CEUC) permetrà la valorització del CO2, evolucionant cap a una economia de carboni circular. La present Tesi Doctoral s'emmarca en el disseny, síntesi i caracterització de sistemes catalítics heterogenis innovadors basats en metalls capaços de transformar el CO2 en altres productes de valor afegit. Entre un ampli catàleg de reaccions que "connecten" el CO2 amb diversos compostos basats en carboni, aquesta Tesi se centrarà principalment en la síntesi de dues molècules C1 plataforma d'interés industrial: el metanol i el metà. Els Capítols 3 i 4 estan dedicats a la síntesi de metanol, un procés exotèrmic limitat degut tant a l'estabilitat inherent de la molècula de CO2 com a la presència de la reacció competitiva RWGS. D'una banda, el Capítol 3 se centra en l'efecte promotor del gal·li sobre les propietats estructurals, electròniques i catalítiques de materials basats en Cu/ZnO (sistemes CZG). Mitjançant un enfocament espectroscòpic-catalític multidisciplinari s'ha comparat l'efecte promotor del Ga3+ dopat en la xarxa d'un ZnO (wurtzita) present en un catalitzador Cu/ZnO/Ga2O3 amb el d'una fase de ZnGa2O4. D'altra banda, en el Capítol 4 es mostra un catalitzador bifuncional que conté nanopartícules de Cu de 2 nm i espècies Cu+, amb l'objectiu d'enfrontar-se a la inherent baixa activitat d'aquestes petites partícules, fet que impedeix millorar l'eficiència atòmica dels catalitzadors, dificultant així l'obtenció de resultats catalítics competitius en la hidrogenació de CO2. La realització d'un estudi espectroscòpic detallat (combinat amb càlcul teòric i assajos catalítics) sobre un catalitzador òxid mixt de Cu-Mg-Al derivat d'un precursor de hidrotalcita després de calcinació i posterior reducció (CuHT-230) posa de manifest el paper clau dels ions Cu+ dopats en estructura en la producció de metanol. L'èxit de les tecnologies CEUC a mig-llarg termini dependrà no solament del desenvolupament de catalitzadors competitius, sinó també de la seua capacitat per a operar en condicions de reacció més suaus, permetent que aquests processos siguen viables econòmicament. Per això, el concepte d'eficiència energètica s'abordarà en el Capítol 5, a través un innovador disseny de catalitzador tipus "shell/core" format per un nucli de ruteni metàl·lic i un embolcall de carbur de ruteni, sintetitzat mitjançant tractament hidrotermal. Aquest sistema (Ru@EDTA-20) exhibeix una activitat excepcionalment alta per a la hidrogenació de CO2 a metà a baixes temperatures (160-200 °C) amb una selectivitat a CH4 del 100%, superant a catalitzadors de bibliografia que normalment operen a majors temperatures (400-500 °C). Finalment, en el Capítol 6 s'estudia un catalitzador model compost per un alumino-silicat bidimensional sintetitzat sobre una superfície de Ru(0001), investigació realitzada durant la meua estada internacional en el Laboratori Nacional de Brookhaven (Nova York, els Estats Units). La combinació d'aquests dos materials en el mateix "composite" permet la creació d'un nano-espai confinat que pot emprar-se com nano-reactor. En aquest projecte, es va seleccionar la reacció de formació d'aigua com a model, que es va explorar a nivell fonamental en el sincrotró NSLS-II. / [EN] Climate change is one of the existential threats of our times. Greenhouse gases (GHG), such as carbon dioxide, are primary drivers of this phenomenon, and their emissions need to be urgently reduced. In 2019, the European Commission presented the European Green Deal, which will help the EU to attain an ambitious goal for our region: to become carbon-neutral by 2050. The decarbonization strategies included in the roadmap towards net-zero emissions will imply the energy transition from fossil fuels to renewable energies, with a massive reduction of CO2 deliverance. In this sense, the development of effective Carbon Capture and Storage (CCS) and Carbon Capture and Utilization (CCU) technologies will allow the valorization of CO2, evolving into a circular carbon economy. The present Doctoral Thesis focuses on the design, synthesis and characterization of innovative heterogeneous metal-based systems, which are able to transform CO2 into value-added products. Among a wide catalogue of reactions that "connects" CO2 with various carbon-based compounds, this thesis will be devoted to the synthesis of two C1 platform chemicals of industrial interest: methanol and methane. Chapters 3 and 4 are dedicated to methanol synthesis, a highly hampered exothermic process due to the inherent stability of the CO2 molecule and the presence of the competitive reverse water-gas shift reaction (RWSG). On the one hand, Chapter 3 is focused on the promoting effect of gallium on the structural, electronic, and catalytic properties of Cu/ZnO based materials (CZG systems). In particular, the promoting effect of Ga3+-doped in the wurtzite ZnO lattice of a Cu/ZnO/Ga2O3 catalyst is compared to that of a zinc gallate (ZnGa2O4) phase following a multimodal spectroscopic-catalytic approach. In Chapter 4, a bifunctional catalyst containing 2 nm Cu nanoparticles and Cu+ species is presented, to overcome the "assumed" low activity of small copper particles that prevents obtaining high atom efficiency and competitive catalytic results in the CO2 hydrogenation to methanol. A detailed spectroscopic study (combined with theoretical calculations and catalytic tests) performed on a Cu-Mg-Al mixed oxide catalyst derived from a hydrotalcite precursor by calcination and further reduction (CuHT-230) highlights the key role of doped Cu+ ions in methanol production. The success of CCU technologies in the medium-long term will depend not only on the development of competitive catalysts but also on their ability to operate under milder reaction conditions, which will make these processes economically viable. Consequently, the energy efficiency issue will be addressed in Chapter 5 with the innovative design of a core-shell structure formed by a core of metallic ruthenium and a shell of ruthenium carbide, synthesized via hydrothermal treatment. This catalyst (Ru@EDTA-20) exhibits exceptional high activity for CO2 hydrogenation to methane (Sabatier reaction) at low temperatures (160-200 °C) with 100% selectivity to CH4, outperforming the state of the art catalysts operating at 400-500 °C. Finally, Chapter 6 covers the investigation carried out on a model ruthenium-based catalyst composed of a 2D-bilayered aluminosilicate grown over a Ru(0001) surface during my international short-term stay at Brookhaven National Laboratory (New York, USA). The combination of these materials in a composite allows the creation of a confined nano-space that can be exploited as a nano-reactor. In this project, water formation reaction (WFR) was selected as model reaction, which was fundamentally explored at NSLS-II synchrotron. / Cored Bandrés, J. (2022). Innovative Design of Heterogeneous Catalysts with Improved CO2 Hydrogenation Performance [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/182403 / Compendio

[ES] Toda esta disertación ha utilizado la química computacional como herramienta fundamental para el análisis científico. Por ello, en el Capítulo 2 se explican los modelos y métodos teóricos sobre este tema. La primera parte del capítulo se centra en los fundamentos de la química cuántica y, en concreto, se explica con detalle la Teoría del Funcional de la Densidad la cual constituye la base de los métodos computacionales aplicados. En esta sección, las nociones básicas del método Hartree-Fock sirven de prólogo a la DFT. El Capítulo 3 presenta los primeros resultados de este trabajo correspondientes a la reacción de metanol a olefinas catalizada por diferentes zeolitas con cavidades de poro pequeño. Esta reacción es un proceso industrial relevante que produce olefinas de cadena corta como eteno (C2=), propeno (C3=) y buteno (C4=) a escala industrial a partir de la biomasa. El sistema catalítico comprende tanto la estructura inorgánica de la zeolita que contiene los sitios ácidos Brønsted como las especies orgánicas confinadas, que forman la "hydrocarbon pool" y producen olefinas ligeras mediante pasos sucesivos de metilación y craqueo. Hemos centrado nuestros esfuerzos en comprender la naturaleza de la "hydrocarbon pool", una molécula de benceno polimetilada, y sus mecanismos de reacción para poder discernir entre ellos e identificar los catalizadores adecuados para mejorar la producción de propeno o eteno en función de la topología de cada cavidad zeolitica. Hemos podido identificar el grado de metilación de la "hydrocarbon pool" como el factor clave para potenciar el mecanismo de la ruta "paring", donde el propeno es el producto mayoritario, o el mecanismo de la ruta "side-chain", siendo el eteno el producto predominante. Este hallazgo nos permite establecer una relación entre la estabilización de los dos intermedios clave y la selectividad experimental observada con un alto grado de correlación. En el Capitulo 4 presentamos una nueva herramienta para el estudio de reacciones competitivas catalizadas por zeolitas. Utilizando un cribado computacional rápido con "force fields" para los intermedios clave de la reacción y un detallado estudio mecanístico usando la teoría del funcional de la densidad somos capaces de reconocer y cuantificar sutiles diferencias en la estabilización de intermedios y estados de transición dentro de huecos microporosos similares, aproximándonos así al nivel de reconocimiento molecular de las enzimas. Con estas herramientas somos capaces de seleccionar como catalizador una zeolita que obstaculice el mecanismo "alkyl-transfer" reduciendo la producción de eteno no deseado y potenciando al mismo tiempo el mecanismo "diaryl-mediated pathway". También somos capaces de obstaculizar la desproporción de dietilbenceno, una ruta no deseada del mecanismo "diaryl-mediated pathway" que conduce a la producción de trietilbenceno, mientras que se favorece la transalquilación de dietilbenceno aumentando el rendimiento obtenido de etilbenceno. en la primera sección del Capítulo 5, estudiamos la afinidad energética de cationes alquilamonio comercialmente disponibles con ligeras diferencias en sus grupos alquilo, TEA, MTEA y DMDEA, para la síntesis de CHA y sus efectos sobre la calidad del material obtenido. Evaluamos las energías de interacción entre la zeolita y el catión de diferentes combinaciones de agentes directores y cationes Na+ con métodos DFT periódicos pudiendo distinguir pequeños efectos de estabilización causados por ligeras diferencias estructurales entre moléculas que repercuten en la estructura final sintetizada. Durante la segunda sección del Capítulo 5, identificamos las características estructurales de diferentes agentes directores de estructura para la síntesis de AEI que mejoran las probabilidades de dispersión del Al en posiciones tetraédricas distintas de T1 obteniendo un catalizador AEI diferente de los sintetizados clásicamente. / [CA] Tota aquesta dissertació utilitza la química computacional com eina fonamental per a l'anàlisi científica. Per això, en el Capítol 2 s'expliquen els models i mètodes teòrics sobre aquest tema. La primera part del capítol es centra en els fonaments de la química quàntica i, en concret, s'explica amb detall la Teoria del Funcional de la Densitat la qual constitueix la base dels mètodes computacionals aplicats. En aquesta secció, les nocions bàsiques del mètode Hartree-Fock serveixen de pròleg a la DFT. El Capítol 3 presenta els primers resultats d'aquest treball corresponents a la reacció de metanol a olefines catalitzada per diferents zeolites amb cavitats de porus petit. Aquesta reacció és un procés industrial rellevant que produeix olefines de cadena curta com etè (C2=), propè (C3=) i butè (C4=) a escala industrial a partir de la biomassa. El sistema catalític comprèn tant l'estructura inorgànica de la zeolita que conté els llocs àcids Brønsted com les espècies orgàniques confinades, que formen la "hydrocarbon pool" i produeixen olefines lleugeres mitjançant passos successius de metilació i craqueig. Hem centrat els nostres esforços en comprendre la naturalesa de la "hydrocarbon pool", una molècula de benzè polimetilada, i els seus mecanismes de reacció per a poder discernir entre ells i identificar els catalitzadors adequats per millorar la producció de propè o etè en funció de la topologia de cada cavitat zeolitica. Hem pogut identificar el grau de metilació de la "hydrocarbon pool" com el factor clau per a potenciar el mecanisme de la ruta "paring", on el propè és el producte majoritari, o el mecanisme de la ruta "side-chain", sent l'etè el producte predominant. Al Capítol 4 presentem una nova eina per a l'estudi de reaccions competitives catalitzades per zeolites. Utilitzant un cribratge computacional ràpid amb "force fields" per als intermedis clau de la reacció i un detallat estudi mecanístic amb la teoria del funcional de la densitat som capaços de reconèixer i quantificar subtils diferències en l'estabilització d'intermedis i estats de transició dins de buits microporosos similars, aproximant-nos així al nivell de reconeixement molecular dels enzims. en la primera secció del Capítol 5, estudiem l'afinitat energètica de cations alquilamoni comercialment disponibles amb lleugeres diferències als seus grups alquil, TEA, MTEA i DMDEA, per a la síntesi de CHA i els seus efectes sobre la qualitat del material obtingut. Avaluem les energies d'interacció entre la zeolita i el catió entre diferents combinacions d'agents directors i cations Na+ amb mètodes DFT periòdics podent distingir petits efectes d'estabilització causats per lleugeres diferències estructurals entre molècules que repercuteixen en l'estructura final sintetitzada. Durant la segona secció del Capítol 5, identifiquem les característiques estructurals de diferents agents directors d'estructura per a la síntesi d'AEI que milloren les probabilitats de propagació de l'Al a través de posicions tetrahedriques diferents de T1 obtenint un catalitzador AEI diferent dels sintetitzats clàssicament. / [EN] Computational chemistry has been used as the fundamental tool during the whole work. Therefore, the theoretical models and methods on this subject are explained in Chapter 2. The first part sketches the fundamentals of quantum chemistry and specifically explains the Density Functional Theory that constitutes the basis of the computational methods applied. In this section, basic notions of the Hartree-Fock method serve as prologue for DFT after which more practical aspects are elucidated. Chapter 3 presents the first results of this work corresponding to the methanol to olefins reaction catalysed by different small-pore cage-like zeolites. This reaction is a relevant process that produces short chain olefins such as ethene, propene and butene at industrial scale from biomass. The catalytic system comprises both the zeolite inorganic framework containing the Brønsted acid sites and the confined organic species, that form the hydrocarbon pool and produce light olefins by successive methylation and cracking steps. Our efforts are focused on understanding the nature of the hydrocarbon pool, a polymethylated benzene molecule, and its reaction mechanisms in order to be able to discern between them and identify the proper catalysts to enhance propene or ethene production based on each zeolite cavity topology. We have been able to identify the hydrocarbon pool methylation degree as the key factor to enhance paring route mechanism where propene is the predominant product, or side-chain mechanism, with ethene being the predominant product. This finding enables us to establish a relation between the stabilization of the two key intermediates and the experimental selectivity observed with a high degree of correlation. In Chapter 4 we present a new tool for the study of competing reactions catalyzed by zeolites. Using a fast computational screening with force fields for the key intermediates of the reaction and a detailed density functional theory mechanistic study we are able to recognize and quantify subtle differences in the stabilization of intermediates and transition states within similar microporous voids, thus approaching the level of molecular recognition of enzymes. With these tools we are able to select a zeolite catalyst that hinders alkyl-transfer mechanism reducing the production of non-desired ethene while enhancing the diaryl-mediated pathyways mechanism. Once we discard the non-desired mechanism, we are also able to hinder the diethylbenzene disproportionation, a non-desired route of the diaryl-mediated pathways that leads to triethylbenzene production, while favouring diethylbenzene transalkylation increasing the obtained yield of ethylbenzene. To close this chapter, the theoretical results are compared with experimental selectivities obtained for eight candidate zeolites obtaining a good correlation between theory and experiment. in the first section of Chapter 5, we study the energetic affinity of commercially available alkylammonium cations with slight differences on their alkyl chain groups, as TEA, MTEA and DMDEA, for CHA synthesis and its effects on the quality of the material obtained. We evaluate the host-guest interaction energies of different combinations of OSDAs and Na+ cations with periodic DFT methods being able to distinguish small stabilization effects caused by slight structural differences between molecules that have an impact on the final structure synthesized. On the other hand, we present a new theoretical methodology to address Al positioning prediction in SSZ-39 zeolite with the AEI framework. During the second section of Chapter 5, we identify the structural features of different OSDAs for AEI synthesis that improve the probabilities of spreading Al through different T-site positions other than T1 obtaining an AEI catalyst different from the classically synthesized. / Vull agrair al Instituto de Tecnología Química per la concessió d’un contracte predoctoral, a la Red Española de Supercomputación (RES), al Centre de Càlcul de la Universitat de València, al Flemish Supercomputer Center (VSC) de la Ghent University pels recursos computacionals i el suport tècnic, a la Unió Europea i al Gobierno de España pel finançament d’aquest projecte a traves dels programes ERC-AdG-2014- 671093 (SynCatMatch) “Severo Ochoa” (SEV-2016-0683, MINECO) i dels projectes MAT2017-82288-C2-1-P i PID2020-112590GB-C21 (AEI/FEDER, UE), i al CSIC pel finançament de la estada al CMM a través del projecte i- Link (LINKA20381). / Ferri Vicedo, P. (2023). Ab initio design of efficient zeolite catalysts for methanol and hydrocarbons conversion [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/193493

[ES] La preocupación mundial por el cambio climático y la calidad del aire se refleja en normativas para la regulación de emisiones en el sector del transporte cada vez más estrictas, situando el desarrollo de sistemas propulsivos sostenibles como el objetivo fundamental. En el caso de los motores de combustión interna, el uso de sistemas de postratamiento de gases de escape, necesario para cumplir con los límites impuestos a las emisiones contaminantes, ha añadido mayor complejidad a la línea de escape. Una correcta comprensión de la respuesta de estos sistemas y su interacción con el motor requiere un profundo conocimiento de los procesos termo-fluidodinámicos y químicos que tienen lugar en los mismos. Su estudio indica que las mayores contribuciones a la reducción de las emisiones consisten en conseguir una activación más rápida de los catalizadores. Sin embargo, por lo general, las estrategias empleadas para alcanzar este fin se traducen en una penalización del consumo de combustible y, por consiguiente, de las emisiones de CO2. En este contexto, el objetivo de esta tesis doctoral es contribuir a la comprensión de los fenómenos presentes en los reactores monolíticos de flujo continuo utilizados en los motores de combustión pobre. En primer lugar, se presenta el desarrollo de una herramienta computacional para el modelado de los reactores estándar, es decir, los monolitos con recubrimiento catalítico monocapa, con un coste computacional bajo que permite responder de manera oportuna a las nuevas condiciones de contorno. El modelo se construyó dentro del entorno de modelo de motor virtual VEMOD, un software de dinámica de gases desarrollado por el I.U.I. CMT-Motores Térmicos para la simulación termo-fluidodinámica de motores de combustión interna y sus componentes. Apoyada sobre experimentos específicos para su calibración y validación en catalizadores de oxidación y de reducción de NOx, la herramienta computacional permite la identificación y el estudio de los parámetros que determinan la eficiencia de conversión de los sistemas de postratamiento. De esta forma, se aplica, con un enfoque de cálculo de valor medio, al análisis, en primer lugar, del impacto de la meso-geometría y el material de catalizadores de oxidación en condiciones dinámicas en función de la forma del canal. También se aborda el estudio de la sensibilidad a la composición de los gases de escape considerando diversas estrategias de combustión comparadas con el diésel convencional, así como el empleo de combustibles alternativos. Por último, se explora experimentalmente la importancia de la ubicación en la línea de escape de un catalizador de oxidación para discutir el efecto sobre las emisiones y el rendimiento del motor de la ubicación pre-turbina, por los beneficios que a nivel térmico tiene esta localización para el postratamiento. Todo ello sirve como fuente de desarrollos tecnológicos y científicos en el área de control de emisiones para el uso y comprensión de la nueva generación de sistemas de postratamiento. / [CA] La preocupació mundial pel canvi climàtic i la qualitat de l'aire es reflecteix en normatives per a la regulació d'emissions en el sector del transport cada vegada més estrictes, situant el desenvolupament de sistemes propulsius sostenibles com l'objectiu fonamental. En el cas dels motors de combustió interna, l'ús de sistemes de posttractament de gasos de fuita, necessari per a complir amb els límits imposats a les emissions contaminants, ha afegit major complexitat a la línia de fuita. Una correcta comprensió de la resposta d'aquests sistemes i la seua interacció amb el motor requereix un profund coneixement dels processos termo-fluidodinámicos i químics que tenen lloc en aquests. El seu estudi indica que les majors contribucions a la reducció de les emissions consisteix a aconseguir una activació més ràpida dels catalitzadors. No obstant això, en general, les estratègies emprades per a aconseguir aquest objectiu es tradueixen en una penalització del consum de combustible i, per consegüent, de les emissions de CO2. En aquest context, l'objectiu d'aquesta tesi doctoral és contribuir a la comprensió dels fenòmens presents en els reactors monolítics de flux continu utilitzats en els motors de combustió pobra. En primer lloc, es presenta el desenvolupament d'una eina computacional per al modelatge dels reactors estàndard, és a dir, els monòlits amb recobriment catalític monocapa, amb un cost computacional baix que permet respondre de manera oportuna a les noves condicions de contorn. El model es va construir dins de l'entorn de model de motor virtual VEMOD, un programari de dinàmica de gasos desenvolupat per l'I.U.I. CMT-Motors Tèrmics per a la simulació termo-fluidodinámica de motors de combustió interna i els seus components. Recolzada sobre experiments específics per al seu calibratge i validació en catalitzadors d'oxidació i de reducció de NOx, l'eina computacional permet la identificació l'estudi dels paràmetres que determinen l'eficiència de conversió dels sistemes de posttractament. D'aquesta manera, s'aplica, amb un enfocament de càlcul de valor mitjà, a l'anàlisi, en primer lloc, de l'impacte de la meso-geometria i el material de catalitzadors d'oxidació en condicions dinàmiques en funció de la forma del canal. També s'aborda l'estudi de la sensibilitat a la composició dels gasos de fuita considerant diverses estratègies de combustió comparades amb el dièsel convencional, així com l'ús de combustibles alternatius. Finalment, s'explora experimentalment la importància de la ubicació en la línia de fuita d'un catalitzador d'oxidació per a discutir l'efecte sobre les emissions i el rendiment del motor de la ubicació pre-turbina, pels beneficis que a nivell tèrmic té aquesta localització per al posttractament. Tot això serveix com a font de desenvolupaments tecnològics i científics en l'àrea de control d'emissions per a l'ús i comprensió de la nova generació de sistemes de posttractament. / [EN] The global concern on climate change and air quality is reflected over increasingly strict emission regulations in the transportation sector, making the development of sustainable propulsion systems the key objective. In the case of internal combustion engines, the use of aftertreatment systems (ATS), necessary to comply with the limits imposed on pollutant emissions, has added further complexity to the exhaust line. A correct comprehension of the response of these systems and their interaction with the engine requires an in-depth knowledge of the thermo-fluid-dynamic and chemical processes taking place inside them. Their study indicates that the major contributions to emission reduction rely on driving the catalysts to a faster light-off. However, in general, the strategies employed to achieve this goal involve a fuel consumption penalty and, consequently, CO2 emissions increase. In this context, the aim of this Ph.D. thesis is to contribute to the understanding of the phenomena present in flow-through catalysts used in lean burn combustion engines. First, the development of a computational tool for modelling the standard devices, i.e. mono-layers washcoat catalysts, is presented, with flexible and low computational cost, enabling timely response to the new boundary conditions. The model was built inside the Virtual Engine Model VEMOD, an open-source gas dynamics software developed by I.U.I. CMT-Motores Térmicos for thermo-fluid-dynamic simulation of internal combustion engines and their components. Supported by specific experiments for its calibration and validation on oxidation and NOx reduction catalysts, the computational tool allows the identification and study of the parameters that determine the conversion efficiency of the ATS. In the first instance it is used to analyze the impact of meso-geometry and oxidation catalyst material under dynamic conditions as a function of the channel shape. The study of the sensitivity to exhaust gas composition is also addressed considering various combustion strategies compared to conventional diesel, as well as the use of alternative fuels. Finally, the importance of the position in the exhaust line of an oxidation catalyst is explored experimentally to discuss the effect on emissions and engine performance of the pre-turbine location, because of the thermal benefits of this location for the aftertreatment. All of this serves as a source of technological and scientific developments in the area of emissions control for the use and comprehension of the new generation of aftertreatment systems. / Ruiz Lucas, MJ. (2023). Modelling and analysis of conversion efficiency in flow-through catalysts for lean-burn combustion engines [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194012

[ES] En la presente tesis doctoral se estudian dos nuevas rutas sintéticas diseñadas para obtener alquinos directamente a partir de alquenos, utilizando diferentes catalizadores metálicos. Dichos catalizadores han ayudado a obtener condiciones de reacción suaves, en las cuales no se utilizan reactivos que sean muy dañinos con el medio ambiente. La primera ruta sintética consiste en la inserción de grupos sulfona al doble enlace de los alquenos obteniendo la correspondiente vinilsulfona, para, seguidamente, realizar una reacción de eliminación de dicho grupo y formar así el triple enlace. Para ello, se realiza una reacción de acoplamiento cruzado oxidativo en los cuales derivados de estireno y fenilsulfinito de sodio forman el intermedio vinilsulfona gracias a la acción del TEMPO y de un catalizador de plata. Para obtener un catalizador heterogéneo que catalice la reacción, se desarrolla un nuevo material (MOF) que contiene metales de hierro y plata en el interior de sus canales, los cuales coexisten de forma ordenada y bien definida. Este nuevo material, es capaz de catalizar la reacción sin necesidad de utilizar TEMPO, obteniendo rendimientos mayores a cuando se utilizan los metales como sales inorgánicas. Una vez obtenidas las vinilsulfonas, se procede a realizar la eliminación del grupo sulfona mediante hidróxido de terc-butilo disuelto en THF para obtener los alquinos deseados. Debido a que la plata es un metal precioso bastante sensible a la luz solar, se decide buscar un metal más robusto que catalice la reacción de acoplamiento cruzado oxidativo entre derivados de estirenos y fenilsulfinito de sodio. Después de probar muchos metales, se averiguó que el cobre, podía remplazar a la plata. Por tanto, se preparan catalizadores heterogéneos de cobre insertando dicho metal en los canales de distintas zeolitas y MOF, los cuales consiguen obtener rendimientos mayores de vinilsulfona. Una vez optimizado el proceso, se estudian las especies activas de ambos metales cuando se utilizan como catalizadores en la reacción de acoplamiento cruzado oxidativo. También se estudian los mecanismos de reacción para ambos metales, cuando se utilizan las sales inorgánicas y cuando se utilizan soportados sobre el MOF. El inconveniente de la ruta sintética descrita es que solo se puede llevar a cabo con alquenos terminales aromáticos y, además, no se es capaz de obtener los alquinos aislados, sino los correspondientes polímeros. Por tanto, se decide diseñar una nueva ruta sintética que solvente dichos problemas. La segunda ruta sintética consiste en la inserción de un grupo silano al doble enlace de los alquenos, obteniendo vinilsilanos para, seguidamente, eliminar dicho grupo y obtener los alquinos. Para ello, se realiza una reacción de sililación deshidrogenativa en la cual, se incorpora el grupo trietilsilano a los alquenos gracias a la acción de un complejo de rutenio. Seguidamente, se produce una deshidroeliminación oxidativa mediante un complejo formado in situ (PhIO·BF3) capaz de formar alquinos. Debido al descubrimiento de este nuevo complejo, se decide estudiar su estructura y como este reacciona para formar el alquino a partir de vinilsilanos, es decir, se estudia en detalle el mecanismo de la reacción de deshidroeliminación oxidativa. Con dicha ruta, se consiguen obtener alquinos a partir de cualquier alqueno terminal y no solo de los aromáticos. Una vez optimizada la ruta, se estudia el mecanismo de reacción, identificando intermedios de reacción y las especies activas del catalizador. Además, se estudia la estructura del nuevo complejo formado (PhIO·BF3) y como actúa en la reacción de deshidroeliminación oxidativa para la formación de alquinos. / [CA] En aquesta tesi doctoral s'estudien dues noves rutes sintètiques dissenyades per obtenir alquins directament a partir d'alquens, utilitzant diferents catalitzadors metàl·lics. Aquests catalitzadors han ajudat a aconseguir condicions de reacció suaus, en les quals no es fan servir reactius que siguen molt perjudicials amb el medi ambient. La primera ruta sintètica consisteix en la inserció de grups sulfona al doble enllaç dels alquens obtenint la corresponent vinilsulfona, per a, seguidament, realitzar una reacció d'eliminació del grup mencionat i formar així el triple enllaç. Per fer-ho, es fa una reacció d'acoblament creuat oxidatiu en els quals derivats d'estiré i fenilsulfinit de sodi formen l'intermedi vinilsulfona gràcies a l'acció del TEMPO i d'un catalitzador de plata. Per a aconseguir un catalitzador heterogeni que catalitze la reacció, es desenvolupa un nou material (MOF) que conté metalls de ferro i plata a l'interior dels seus canals, els quals coexisteixen de manera ordenada i ben definida. Aquest nou material és capaç de catalitzar la reacció sense necessitat d'utilitzar TEMPO, assolint rendiments més elevats quan s'utilitzen els metalls com a sals inorgàniques. Una vegada obtingudes les vinilsulfones, es procedeix a fer l'eliminació del grup sulfona mitjançant hidròxid de terc-butil dissolt en THF per obtenir els alquins desitjats. Com que la plata és un metall preciós molt sensible a la llum solar, es decideix buscar un metall més robust que catalitze la reacció d'acoblament creuat oxidatiu entre derivats d'estiré i fenilsulfinit de sodi. Després de realitzar un cribratge de diferents metalls, es va esbrinar que el coure, podia substituir la plata. Per tant, es preparen catalitzadors heterogenis de coure inserint aquest metall als canals de diferents zeolites y MOF, els quals aconsegueixen obtenir rendiments majors de vinilsulfona. Una vegada optimitzat el procés, s'estudien les espècies actives dels dos metalls quan s'utilitzen com a catalitzadors en la reacció d'acoblament creuat. També s'estudien els mecanismes de reacció per a ambdós metalls, quan es fan servir les sals inorgàniques i quan s'utilitzen suportats sobre el MOF. L'inconvenient de la ruta sintètica descrita és que només es pot dur a terme amb alquens terminals aromàtics i, a més, no és capaç d'obtenir els alquins aïllats, sinó que s'obtenen els polímers corresponents. Per tant, es decideix dissenyar una nova ruta sintètica que resolga aquests problemes. La segona ruta sintètica consisteix en la inserció d'un grup silà al doble enllaç dels alquens, obtenint vinilsilans per seguidament eliminar aquest grup i obtenir els alquins. Per fer-ho, es fa una reacció de sililació deshidrogenativa en la qual s'incorpora el grup trietilsilà als alquens gràcies a l'acció d'un complex de ruteni. Seguidament, es produeix una deshidroeliminació oxidativa mitjançant un complex format in situ (PhIO·BF3) capaç de formar alquins. A causa del descobriment d'aquest nou complex, es decideix estudiar-ne l'estructura i com aquest reacciona per formar l'alquí a partir de vinilsilans, és a dir, s'estudia detalladament el mecanisme de la reacció de deshidroeliminació oxidativa. Amb aquesta ruta s'aconsegueixen obtenir alquins a partir de qualsevol alquè terminal i no només dels aromàtics. Una vegada optimitzada la ruta, s'estudia el mecanisme de reacció, identificant intermedis de reacció i les espècies actives del catalitzador. A més, s'analitza l'estructura del nou complex format (PhIO·BF3) i com actua a la reacció de deshidroeliminació oxidativa per a la formació d'alquins. / [EN] In this doctoral thesis, two new synthetic routes were designed to obtain alkynes from alkenes in one-pot, using different metal catalysts. These catalysts have helped to obtain mild reaction conditions, in which reagents that are very harmful for the environment are not used. The first synthetic route consists in the insertion of sulfone groups to the double bond of the alkenes, obtaining the corresponding vinylsulfone. Then, elimination reaction of the said group is carried out, and the triple bond is formed. To do this, an oxidative cross-coupling reaction is performed, in which derivatives of styrene and sodium phenylsulfinite form the intermediate vinylsulfone thanks to the action of TEMPO and a silver catalyst. To obtain a heterogeneous catalyst that catalyses the reaction, a new material (MOF) is developed. This material contains iron and silver metals inside its channels, which coexist in an ordered and well-defined manner. This new material is capable of catalyzing the reaction without TEMPO, obtaining higher yields than with inorganic metal salts. Once the vinylsulfones are obtained, the sulfone group is eliminated using tert-butyl hydroxide dissolved in THF, to obtain the desired alkynes. As silver is a precious metal that is quite sensitive to sunlight, we decided to look for a more robust metal that catalyses the oxidative cross-coupling reaction between styrene derivatives and sodium phenylsulfinite. After testing many metals, it was found that copper, specifically copper carbonate, could replace silver. Therefore, heterogeneous copper catalysts are prepared by inserting this metal into the channels of different zeolites and MOF, managing to obtain higher yields of vinylsulfone. Once the process has been optimized, the active species of both metals are studied when they are used as catalysts for the oxidative cross-coupling reaction. We discovered that, while silver needs to form at least dimers to be able to catalyse the reaction, copper acts as isolated atoms. The reaction mechanisms for both metals are also studied, when inorganic salts are used and when they are used supported on the MOF. The drawback of the synthetic route described is that it can only be carried out with terminal aromatic alkenes and, furthermore, it is not able to obtain the isolated alkynes, but rather the corresponding polymers are obtained. Therefore, it was decided to design a new synthetic route to solve these problems. The second synthetic route consists in the insertion of a silane group to the double bond of alkenes, obtaining vinylsilanes. This group is eliminated and we obtain the alkynes. To do this, a dehydrogenative silylation reaction is carried out in which the triethylsilane group is incorporated into the alkenes thanks to the action of a ruthenium catalyst. Next, oxidative dehydroelimination takes place through a complex formed in situ (PhIO·BF3), capable of forming alkynes. Due to the discovery of this new complex, it was decided to study its structure and how it reacts to form the alkyne from vinylsilanes. The mechanism of the oxidative dehydroelimination reaction is studied in detail. With this route, it is possible to obtain alkynes from any terminal alkene and not only from aromatics like the previous one. Once the route was optimized, the reaction mechanism was studied, identifying reaction intermediates and the active species of the catalyst. Furthermore, the structure of the new complex formed (PhIO·BF3) was studied and how it acts during the oxidative dehydroelimination reaction for the formation of alkynes. / Bilanin Artigado, C. (2024). Síntesis directa de alquinos a partir de alquenos con distintos catalizadores metálicos [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/206173