This doctoral thesis was focused on the design and synthesis of novel chiral ligands for application in asymmetric catalysis. One of the best examples of asymmetric catalysis is the asymmetric hydrogenation reaction for its atom economy, ease of access to both S and R enantiomers and almost ultimate enantiomeric excess obtainable in a multitude of substrates. There has been much investigation into this reaction and there has been a plethora of chiral ligands designed which catalyze this reaction in high enantiomeric excess using metals such as rhodium, iridium and ruthenium. The vast majority of these ligands are diphosphines with their chirality lying either on the backbone of the ligand or on the coordinating phosphorus atom itself. In the beginning of this work investigation was undertook to explore the possibility of successfully employing a new type of ligand class in the asymmetric hydrogenation reaction, namely the N-phosphino sulfinamide or PNSO ligands. PNSO ligands had been successfully applied to the asymmetric Pauson-Khand reaction in the Riera group yielding cyclopentenone Pauson-Khand adducts in high yield and very high enantioselectivity. The family of PNSO ligands prepared in the Riera group was attractive because apart from the high yields and enantioselectivities obtained from the reactions in which they were used, they proved to be easily prepared in short syntheses from commercially available starting materials. It was believed if they could be successfully applied in asymmetric hydrogenation for their ease of preparation they would be an attractive alternative to the diphosphine ligand class. Unfortunately the first two PNSO-Rh complexes successfully prepared provided low enantioselectivities and difficulties were encountered while trying to prepare further analogues. After some time trying to achieve PNSO-Rh complex analogues unsuccessfully the direction of the project was shifted away from the N-phosphino sulfinamide ligand class in asymmetric hydrogenation. The MaxPhos ligand had recently been developed in the group and had proven highly promising. A study was demanded of its substrate scope as applied in rhodium catalyzed asymmetric hydrogenation. Substrates already described in the literature were prepared and the asymmetric hydrogenation of them catalyzed by the MaxPhos-Rh precatalyst was performed and conditions to do so were optimized. Of seven substrates prepared the MaxPhos-Rh proved to hydrogenate five of those with high enantioselectivity. The TOF of the MaxPhos rhodium catalyst applied in the hydrogenation of the Z-MAC substrate was examined by monitoring the flux of hydrogen and was calculated at 0.065 s-1. MaxPhos complexes of cobalt and palladium were prepared to form part of the investigation into widening the reaction scope of the ligand. [(MaxPhos)Co2(CO)4(C2H2)] proved to catalyze the Pauson-Khand reaction of norbornadiene and 1-hexyne with 24 % yield and 28 %, a noteworthy enantiomeric excess for the catalytic asymmetric Pauson-Khand reaction. Chalcogenated derivatives of MaxPhos were prepared. The diselenide was used to explore the electronic nature of the ligand. The MaxPhos-rhodium carbonyl stretching was examined. MaxPhos-BH3 was used to prepare mono-chalcogenated MaxPhos derivatives. They were applied also in asymmetric hydrogenation once complexed to rhodium but enantiomeric excess of no more than 21 % was obtained in the hydrogenation of the substrate Z-MAC. The aminophosphine, a chiral building block and key intermediate in the preparation of the MaxPhos ligand, was used in the attempt to prepare bulky chiral amidine ligands and although two such species were prepared they proved inapplicable in asymmetric catalysis. / Se desarrollaron los ligandos N-fosfino sulfinamida (PNSO) en el grupo de Riera para su aplicación en la reacción Pauson-Khand asimétrica. Se probaron que estos ligandos eran muy eficaces en esta reacción y daban rendimientos y enantioselectividades muy altos de los aductos Pauson-Khand. Probar la eficacia de estos ligandos PNSO en hidrogenación asimétrica formó parte de este trabajo. Se prepararon dos ligandos PNSO, se complejaron con rodio formando complejos neutros. Se protonaron los complejos neutros con ácido tetraflorobórico para formar los complejos catiónicos. Se usaron estos complejos de rodio- PNSO, tanto los complejos neutros como los catiónicos como catalizadores en la hidrogenación asimétrica del sustrato Z-MAC. Los complejos de rodio con el ligando PNSO substituido por el grupo tolilo en azufre no hidrogenaba el sustrato pero los complejos de rodio con el ligando PNSO dotado de tres grupos tert-butilos hidrogenaba el sustrato aunque con baja selectividad. Después de un tiempo intentando conseguir análogos de ligandos tipo PNSO sin éxito se cambió la dirección del proyecto. Se decidió centrarse en el ligando MaxPHOS el cual había sido desarrollado recientemente en el grupo Riera. El ligando MaxPHOS demostró gran eficacia en hidrogenación asimétrica con dos sustratos pero se deseaba un estudio mas amplio del potencial del ligando así que se sintetizaron siete sustratos y se probó el catalizador MaxPHOS en la hidrogenación asimétricas de esos sustratos. El catalizador MaxPHOS-Rh proporcionó excesos enantioméricos muy altos en cinco de los siete sustratos. Se hizo un estudio de las propiedades electrónicas del ligando MaxPHOS aprovechando los estudios de (31)P RMN y el MaxPHOS diselenuro lo cual se preparó anteriormente. También se estudió el “stretching” carbonilo del complejo MaxPHOS-Rh. Se demostró que el ligando MaxPHOS era menos rico en electronos que el ligando trichickenfootphos. Se prepararon complejos de MaxPHOS con paladio y cobalto para examinar la eficacia del ligando en reacciones mas allá de hidrogenación asimétrica como la reacción Pauson–Khand catalítica asimétrica. Se sintetizaron varios derivados del ligando MaxPHOS a partir de los intermedios clave en la preparación del ligando y se probaron en hidrogenación asimétrica proporcionando excesos enantioméricos bajos.

[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

Este trabajo ha sido realizado en el contexto de los proyectos de MAT 2002-03808 y MAT 2002-02158, financiados por la Dirección General de Investigación del Ministerio de Ciencia y Tecnología (MCyT). Se han sintetizado y caracterizado catalizadores Rh-soportado (sólo o promovido con Sn) utilizando diferentes tipos de soportes. Como soportes de catalizadores se utilizaron tanto materiales microporosos, silicatos laminares (bentonitas) de distinta procedencia y bentonitas modificadas mediante la introducción de pilares (PILC's) o transformadas en productos zeolíticos; como materiales mesoporosos, MCM-41, con una o dos fuentes de Silicio. Los mencionados catalizadores han sido aplicados en la hidrogenación de crotonaldehído, en fase gaseosa y condiciones suaves, de alto interés tanto académico como industrial en química fina, farmacéutica y alimentaria. Se han analizado y discutido la actividad/selectividad en relación con las diferentes características de los soportes y las distintas condiciones de trabajo como: temperatura de reducción del Rh, temperaturas de reacción, y presencia de estaño como promotor. Se han caracterizado los soportes y catalizadores mediante diferentes técnicas instrumentales UV-Vis, espectroscopia IR, ATG/DTG, DRX, isotermas de adsorción-desorción de N2, quimisorción de O2/H2, quimisorción de NH3, adsorción-desorción de piridina mediante espectroscopia IR-TF, XPS y se utilizó la Cromatografia de gases para la hidrogenación de crotonaldehído. Los resultados obtenidos ponen de manifiesto que tanto las arcillas de partida como las modificadas (con pilares o bien transformada en zeolitas) y materiales MCM-41, han resultado soportes idóneos para la formación de catalizadores heterogéneos de Rh y de Rh promovido con Sn, habiéndose generado, por tanto, nuevos materiales de alto valor añadido para el caso de las arcillas modificadas y nuevos retos de aplicación para los nuevos nanomateriales MCM-41. Así mismo se constata que la adición de Sn como promotor, modifica la conversión a todas las temperaturas de reacción, obteniéndose para todos los catalizadores, mayor selectividad hacia alcohol crotílico que en ausencia de Sn. En resumen, a lo largo de este trabajo se han logrado preparar catalizadores metal soportados utilizando unos nuevos soportes de catalizadores que muestran, generalmente, alta selectividad hacia alcohol crotílico en la hidrogenación de crotonaldehído, en condiciones suaves y a presión atmosférica, condiciones usuales de trabajo en la industria de química fina, farmacéutica y alimentaria, donde time mayor repercusión la aplicación de la reacción estudiada. / This work has been performed within the projects MAT 2002-03808 and MAT 2002-02158, financed by the DGESIC (Dirección General de Enseñanza Superior e Investigación y Ciencia) and CICYT (Comisión de Investigación Científica y Técnica), respectively.An Rh-supported catalyst (alone or promoted with Sn) has been synthesized and characterized using different types of supports. Aluminum silicate (clay) of different origins and clay modified by introduction of pillars (PILC's) or transformed into zeolytic products were used as microporous materials. MCM-41 (with one or two Silicon sources) was used as mesoporous materials. The catalyst has been applied in the hydrogenation of cortonaldehyde in gaseous phase and mild conditions. These have high academic and industrial interest. Activity and selectivity of catalysts have been analyzed at different conditions of work like: temperature of reduction of the Rh, temperatures of reaction and tin presence as promoter.These supports (micro and mesoporous materials) and catalysts have been characterized using different technical instruments: UV-Vis, spectroscopy IR, ATG/DTG, XRD, isotherms of adsorption-desorption of N2, chemisorptions of O2/H2, chemisorptions of NH3, adsorption-desorption of pyridine by DRIFTS, XPS and hydrogenation of crotonaldehyde by Gas Chromatography. The results obtained show that the natural clay material, as modified (with incorporation of pillars or transformed into zeolites), and materials MCM-41, have been good supports to the formation of heterogeneous catalysts of Rh and Rh promoted with Sn, having generated new materials of high value in the case of modified clays and raises new challenges of application for nanomaterials MCM-41. Also observed is that the addition of Sn as promoter was modifying the conversion at all temperatures of reaction, obtaining for all the catalysts greater selectivity to crotyl alcohol than without tin (Sn).In summary, throughout this work, we have been able to prepare and obtain metal supported catalysts using new supports of catalysts that show great selectivity towards crotyl alcohol in the hydrogenation of crotonaldehyde in mild conditions and atmospheric pressure. This is a very important reaction in the production of many pharmaceutical, agrochemical and fragrance compounds, having great repurcussion on the application of the studied reaction and attracting much interest in fundamental research in catalysis.

[ES] En esta Tesis se ha estudiado en profundidad la reacción de semi-hidrogenación de alquinos catalizada por materiales de paladio. Más especificamente, esta Tesis empieza estudiando un sistema simple para la semi-hidrogenación de alquinos: clústeres de paladio en disolución formados a partir de la reducción in situ de sales de paladio, en el Capítulo 3. Este concepto, se usará posteriormente para sintetizar un catalizador soportado y soluble en el Capítulo 4. Estos clústeres catalizan de forma muy eficiente la semi-hidrogenación de alquinos internos. Entre otros alquinos internos estudiados en el Capítulo 4, los 1,4-alquinodioles se investigaron en más profundidad en el Capítulo 5, donde se muestra su habilidad para desactivar la ruptura del hidrógeno molecular sobre catalizadores de paladio. Además, se estudiará su desimetrización diastereoisomérica durante la reacción semi-hidrogenación. La semi-hidrogenación de alquinos terminales, a pesar de ser típicamente más sencilla, no procede de forma eficiente en los sistemas catalíticos de los capítulos anteriores. Es por ello que en el Capítulo 6 se pone énfasis en estos alquinos terminales y, mediante la interacción entre fosfinas y catalizadores de paladio sobre carbono, se consigue una hidrogenación selectiva de estos sustratos sobre catalizadores clásicamente no selectivos. Finalmente, el último Capítulo 7 se dedica a la semi-hidrogenación del acetileno, el alquino con mayor presencia industrial a nivel global con diferencia. Los elevados requerimientos de rendimiento y el alto volumen de producción del proceso de semi-hidrogenación de acetileno se satisfacen en este caso mediante el uso de un MOF con dímeros de Pd-Au. / [CA] En aquesta Tesi s'ha estudiat en profunditat la reacció de semi-hidrogenació d'alquins catalitzada per materials de pal·ladi. Més especificament, aquesta Tesi comença estudiant un dels sistemes més simples per a la semi-hidrogenació d'alquins: clústers de pal·ladi en dissolució formats a partir de la reducció "in situ" de sals de pal·ladi en el Capítol 3. Aquest concepte s'empra posteriorment per a sintetitzar un catalitzador suportat i soluble en el Capítol 4. Aquests clústers catalitzen de forma molt eficient la semi-hidrogenació dels alquins interns. Entre d'altres alquins interns estudiats en el Capítol 4, els 1,4-alquindiols s'investiguen en més profunditat en el Capítol 5, on es mostra la seva habilitat per a desactivar la ruptura de l'hidrogen molecular sobre catalitzadors de pal·ladi, així com la desimetrizació diastereoisomérica que sofreixen durant la reacció de semi-hidrogenació. Malgrat ser típicament més senzilla, la semi-hidrogenació d'alquins terminals no procedeix de manera eficient en els sistemes catalítics dels capítols anteriors. És per això que en el Capítol 6 es posa èmfasi en aquests alquins terminals i, mitjançant la interacció entre fosfines i catalitzadors de pal·ladi sobre carboni, s'aconsegueix una hidrogenació selectiva d'aquests substrats sobre catalitzadors clàssicament no selectius. Finalment, l'últim Capítol 7 es dedica a la semi-hidrogenació de l'acetilè, un dels alquins terminals amb major presència industrial a nivell global. Els elevats requisits de rendiment i l'elevat volum de producció d'aquest procés de semi-hidrogenació d'acetilè se satisfan, en aquest cas, mitjançant l'ús d'un MOF amb dímers de Pd-Au. / [EN] In this Thesis, the semi-hydrogenation reaction of alkynes catalyzed by palladium materials has been studied in depth. More specifically, this Thesis starts by studying a very simple system for the semi-hydrogenation of alkynes: palladium clusters in solution formed from the in situ reduction of palladium salts, in Chapter 3. This concept will be subsequently used to synthesize a supported and soluble catalyst in Chapter 4. These clusters catalyze very efficiently the semi-hydrogenation of internal alkynes. Among other internal alkynes studied in Chapter 4, 1,4-alkynodiols are further investigated in Chapter 5, where their ability to deactivate molecular hydrogen cleavage over palladium catalysts is shown, as well as the diastereoisomeric desymmetrization that they undergo during the semi-hydrogenation reaction. Despite being typically simpler, the semi-hydrogenation of terminal alkynes does not proceed efficiently in the catalytic systems of the previous chapters. Hence, in Chapter 6, emphasis is placed on these terminal alkynes and, by means of the interaction between phosphines and palladium-on-carbon catalysts, a selective hydrogenation of these substrates over classically non-selective catalysts is achieved. Finally, the last Chapter 7 is devoted to the semi-hydrogenation of acetylene, the alkyne with the largest global industrial presence by far. The high yield and production volume requirements of the acetylene semi-hydrogenation process are met in this case by using a MOF with Pd-Au dimers. / Ballesteros Soberanas, J. (2023). Semi-hidrogenación de alquinos con nuevos catalizadores de paladio [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/194631

La preocupación por las cuestiones ambientales ha hecho que en los últimos años surja todo un enfoque dentro de la química, denominado Química Sostenible que tiene como objetivo prevenir o minimizar la contaminación desde su origen, tanto a escala industrial como en los laboratorios de investigación. En este aspecto, el campo de la catálisis y sobre todo de la catálisis heterogénea puede contribuir en gran medida ya que permite tanto el manejo cómodo y seguro de la reacción como una fácil separación, recuperación y posible regeneración del catalizador, además de la ausencia de vertidos contaminantes con el consiguiente respecto al medio ambiente. En esta tesis doctoral se han descrito las posibilidades ofrecidas por distintos catalizadores heterogéneos para la obtención de productos de Química Fina en el campo de los aromas y fragancias, de la industria alimentaria y farmaceútica. Se ha detallado la síntesis de los siguientes productos con alto valor añadido usando métodos alternativos empleando catalizadores heterogéneos: - Se han logrado sintetizar moléculas interesantes desde el punto de vista industrial como el aróma a melón y la ?-Decalactona que es un importante Sn-Beta/H2O2, que produce únicamente aguacomo subproducto - También se han empleado sólidos con carácter básico, en lugar de disoluciones de hidróxido sódico, para llevar a cabo la reacción de transesterificación entre ésteres metílicos de ácidos grasos y polietilenglicoles, evitando así los problemas derivados del empleo de catalizadores homogéneos como son la corrosión de reactores, la necesidad de neutralizar el catalizador y la imposibilidad de poder ser reutilizado - Se ha planteado una nueva ruta sintética para la producción de Nabumetona, fármaco con actividad antiinflamatoria no esteroideo, combinando dos reacciones en un proceso de cascada: condensación aldólica-hidrogenación, empleando catalizadores trifuncionales - Por último, se ha logrado también la síntesis del aroma de frambuesa, impo / Mifsud Grau, M. (2007). Química sostenible. Empleo de catalizadores heterogéneos para la obtención de productos de alto valor añadido: fármacos, aromas y surfactantes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/1821

[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] El cambio climático es uno de los mayores desafíos del siglo XXI, requiriendo tecnologías que usen energías renovables y fuentes alternativas de carbono para generar y almacenar combustibles. Una solución es la tecnología Power-to-Gas (P2G), donde el H2, producido por electrólisis con energías renovables, reduce el CO2 para convertirlo en CH4, obteniendo biometano o gas natural sintético (GNS) según su pureza. Este combustible puede distribuirse a través de gasoductos existentes. La hidrogenación selectiva de CO2 a CH4, conocida como reacción de Sabatier o metanación de CO2, es la vía más eficiente para producir SNG en aplicaciones P2G. Sin embargo, lograr una metanación rentable requiere catalizadores activos que operen bajo condiciones moderadas de forma duradera. Para ello, se han investigado catalizadores de Ni soportados en diferentes materiales, caracterizados y probados en diversas condiciones para optimizar su rendimiento. El Capítulo 4 se centra en catalizadores soportados en materiales zeolíticos, ferrierita y su forma deslaminada correspondiente, ITQ-6, para evaluar el efecto de la deslaminación y la relación Si/Al. Los catalizadores basados en ITQ-6 presentaron una fase Ni0 más dispersa, con un tamaño óptimo de las nanopartículas de Ni entre 6 y 20 nm. Los catalizadores de la ITQ-6 exhibieron mayores valores de conversión de CO2 y TOFs, atribuibles a la mejor dispersión de la fase Ni0, y a una mayor concentración de grupos -OH superficiales. Además, los catalizadores con Si/Al = 30 exhibieron los mayores valores de conversión de CO2 y TOF, debido a la presencia de grupos Si-(OH)-Al, que incrementaron su capacidad de captura de CO2. El Capítulo 5 se centra en catalizadores basados en óxidos de La y Al. Los catalizadores basados en LaAlO3 exhibieron un rendimiento superior en comparación con los óxidos individuales, debido a una mayor concentración de centros básicos de fortaleza moderada. Los resultados de IR operando con resolución temporal revelaron que estos centros están involucrados en la formación de carbonatos monodentados, que son intermediarios activos en la reducción de CO2 a CH4. El Capítulo 6 presenta el estudio de catalizadores preparados sobre sepiolita y el efecto promotor del Ce en la reacción de metanación. Un catalizador con 10% de Ce en peso exhibió los valores óptimos de rendimiento de CH4 a bajas temperaturas, lo que se atribuyó al efecto del Ce sobre el aumento de la dispersión de la fase Ni0 para obtener nanopartículas con un tamaño medio de 6 nm, tamaño óptimo para alcanzar un buen comportamiento catalítico, así como de favorecer un incremento en la concentración de centros básicos de fortaleza moderada. Los estudios de IR operando resueltos en el tiempo revelaron que los catalizadores que contienen Ce presentaban un mecanismo mixto disociativo-asociativo. La adición de Ce condujo a la formación de especies intermedias participantes, como carbonatos monodentados y formiatos que explican estás diferencias mecanísticas. En el Capítulo 7, las mejores formulaciones catalíticas han sido estudiadas en para metanación de biogás simulado, es decir, se llevó a cabo la hidrogenación selectiva de CO2 en presencia del CH4 presente en el propio biogás. Entre todos los catalizadores probados, el soportado en sepiolita, con 15% en peso de Ni y 10% en peso de Ce (15Ni-10Ce-Sep), presentó los mejores resultados, demostrando buena estabilidad y minimizando la formación de coque. Este resultado se atribuyó al efecto del Ce de optimizar la dispersión de Ni0, aumentar la concentración de centros básicos de fortaleza moderada y favorecer la eliminación del coque por oxidación. Considerando el biogás simulado (mezcla de CH4 y CO2), las pruebas con el catalizador 15Ni-10Ce-Sep permitieron obtener una corriente de biometano (94.1% CH4/5.9% CO2), con una tasa de formación de CH4 de 1211,0 mL CH4 h-1. / [CA] El canvi climàtic és un dels majors desafiaments del segle XXI, requerint tecnologies que utilitzen energies renovables i fonts alternatives de carboni per a generar i emmagatzemar combustibles. Una solució és la tecnologia Power-to-Gas (P2G), on l'H2, produït per electròlisi amb energies renovables, redueix el CO2 per a convertir-lo en CH2, obtenint biometà o gas natural sintètic (GNS) segons la seua puresa. Aquest combustible pot distribuir-se a través de gasoductes existents. La hidrogenació selectiva de CO2 a CH2, coneguda com a reacció de Sabatier o metanació de CO2, és la via més eficient per a produir GNS en aplicacions P2G. No obstant això, aconseguir una metanació rendible requereix catalitzadors actius que operen en condicions moderades de forma duradora. Per a això, s'han investigat catalitzadors de Ni suportats en diferents materials, caracteritzats i provats en diverses condicions per a optimitzar el seu rendiment. El Capítol 4 se centra en catalitzadors suportats en materials zeolítics, ferrierita i la seua forma deslaminada corresponent, ITQ-6, per a avaluar l'efecte de la deslaminació i la relació Si/Al. Els catalitzadors basats en ITQ-6 van presentar una fase Ni2 més dispersa, amb una grandària òptima de les nanopartícules de Ni entre 6 i 20 nm. Els catalitzadors d'ITQ-6 van mostrar majors valors de conversió de CO2 i TOFs, atribuïbles a la millor dispersió de la fase Ni2 i a una major concentració de grups -OH superficials. A més, els catalitzadors amb Si/Al = 30 van presentar els majors valors de conversió de CO2 i TOF, a causa de la presència de grups Si-(OH)-Al, que van incrementar la seua capacitat de captura de CO2. El Capítol 5 se centra en catalitzadors basats en òxids de La i Al. Els catalitzadors basats en LaAlO2 van mostrar un rendiment superior en comparació amb els òxids individuals, a causa d'una major concentració de centres bàsics de fortalesa moderada. Els resultats d'IR operant amb resolució temporal van revelar que aquests centres estan involucrats en la formació de carbonats monodentats, que són intermediaris actius en la reducció de CO2 a CH2. El Capítol 6 presenta l'estudi de catalitzadors preparats sobre sepiolita i l'efecte promotor del Ce en la reacció de metanació. Un catalitzador amb 10% de Ce en pes va presentar els valors òptims de rendiment de CH4 a baixes temperatures, la qual cosa s'atribueix a l'efecte del Ce sobre l'augment de la dispersió de la fase Ni0 per a obtindre nanopartícules amb una grandària mitjana de 6 nm, grandària òptima per a aconseguir un bon comportament catalític, així com a afavorir un increment en la concentració de centres bàsics de fortalesa moderada. Els estudis d'IR operant resolts en el temps van revelar que els catalitzadors que contenen Ce presentaven un mecanisme mixt dissociatiu-associatiu. L'addició de Ce va conduir a la formació d'espècies intermèdies participants, com ara carbonats monodentats i formiats que expliquen aquestes diferències mecanístiques. En el Capítol 7, les millors formulacions catalítiques han sigut estudiades per a la metanació de biogàs simulat, és a dir, es va dur a terme la hidrogenació selectiva de CO2 en presència del CH4 present en el mateix biogàs. Entre tots els catalitzadors provats, el suportat en sepiolita, amb 15% en pes de Ni i 10% en pes de Ce (15Ni-10Ce-Sep), va presentar els millors resultats, demostrant bona estabilitat i minimitzant la formació de coc. Aquest resultat s'atribueix a l'efecte del Ce d'optimitzar la dispersió de Ni2, augmentar la concentració de centres bàsics de fortalesa moderada i afavorir l'eliminació del coc per oxidació. Considerant el biogàs simulat (mescla de CH2 i CO2), les proves amb el catalitzador 15Ni-10Ce-Sep van permetre obtindre un corrent de biometà (94,1% CH4 /5,9% CO2), amb una taxa de formació de CH4 de 1211,0 mL CH4 h-1. / [EN] Climate change, with its broad social impacts, is a critical 21st-century challenge. Addressing it requires technologies that use renewable energy and replace traditional carbon sources for fuel production and storage. Power-to-Gas (P2G) technology meets both goals by using H2, produced via renewable energy-driven electrolysis, to reduce CO2 into CH4. This fuel, as biomethane or synthetic natural gas (SNG), can be distributed through existing pipelines. The Sabatier reaction, or CO2 methanation, is the most competitive process for producing SNG via P2G. However, developing cost-efficient technology remains a challenge, necessitating catalysts that stay active under mild conditions for extended periods. To address this, Ni-based catalysts supported on three material families were studied, characterized through various techniques, and tested under different conditions to assess their performance. Chapter 4 is focused on catalysts supported on zeolitic materials, comparing ferrierite and its delaminated counterpart, ITQ-6, to evaluate the effect of the delamination and Si/Al ratio. ITQ-6-based catalysts exhibited a more dispersed Ni0 phase, presenting Ni NPs with the optimum size (6-20 nm) for catalytic performance. This had a consequence on the ITQ-6-based catalysts exhibiting higher CO2 conversion and TOF values attributed to the better dispersion of the Ni0 phase, and to a higher concentration of surface -OH groups. Regarding the effect of the Si/Al ratio, Si/Al = 30 catalysts exhibited higher CO2 conversion and TOF values than the pure Si/Al = ¿, which was attributed to the presence of Si-(OH)-Al groups, which increased their CO2 uptake. Chapter 5 is centered on oxide-based catalysts to evaluate the effect of the mixed oxide synergy on the CO2 methanation reaction. LaAlO3-based catalysts exhibited superior performance compared to the individual oxides, which was attributed to a higher concentration of moderate basic sites. Time-resolved operando IR results revealed that these sites are involved in the formation of monodentate carbonates, which are participating intermediates in the reduction of CO2 to CH4. Chapter 6 is focused on catalysts prepared over the porous phyllosilicate sepiolite and the effect of Ce addition as a promoter. A catalyst with 10% wt. Ce exhibited the optimum CH4 yield values at lower temperatures. This was attributed to the Ce effect to increase the dispersion of the Ni0 phase to obtain NPs with the optimum size (~ 6 nm) for catalytic performance and improve the concentration of moderate basic sites. Time-resolved operando IR measurements revealed that Ce-containing catalysts exhibited a mixed dissociative-associative mechanism, differently from the Ce-free one, which only exhibited the dissociative one. The Ce addition led to the formation of monodentate carbonate and formate, which were identified as participating intermediate species. Chapter 7 is focused on applying catalytic technologies to the biogas upgrade using the selective hydrogenation of CO2 to CH4. The catalysts with optimum Ni loading from each chapter were submitted to studies with different WHSV and stability tests with a sweetened synthetic sample biogas sample. Among all the catalysts tested, the one supported on sepiolite, with 15% wt Ni and 10 % wt. Ce, 15Ni-10Ce-Sep, exhibited the best performance, demonstrating good stability in conversion values throughout the experiment while minimizing coke formation. This was attributed to the effect of Ce to optimize the Ni0 dispersion, increase the concentration of moderate basic sites, and favor the elimination of coke via oxidation. Considering the CH4 and CO2 mixture, tests with 15Ni-10Ce-Sep catalysts upgraded a biogas mixture (60% CH4:40% CO2) to biomethane (94.1% CH4/5.9% CO2) with a CH4 rate formation of 1211.0 mL CH4 h-1. / The funding provided by the LaCaixa InPhiNIT Predoctoral Fellowship (ID 100010434), code LCF/BQ/DI19/11730019 for accomplishing this PhD project is acknowledged. / Machado Da Silva, RB. (2024). Novel heterogenous catalysts for the selective hydrogenation of CO2 to CH4 [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214024