Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Danish Polymer Center. Technical University of Denmark-DTU. 2009

The main objective of this doctoral thesis is explore the origin of the nanoporous carbons photoactivity for studying their applications in different fields of research covering their use as photocatalysts for pollutants degradation as well as photoelectrodes for water photooxidation reaction, either by themselves or as additives coupled to a semiconductor in hybrid electrodes. The first stage of this study mainly consisted in investigating the photoactivity of carbon materials by themselves (in the absence of semiconductors) towards different reactions, aiming at linking their photochemical response with the carbon material nature in terms of porosity, surface chemistry, composition and structure. The exploration of the photoassisted degradation of phenol nanoconfined in the pore voids of several nanoporous carbons showed a positive effect of the tight packing of the molecule in the carbon material porosity. This indicated the role of confinement to boost fast interactions between the photogenerated charge carriers at carbon material surface and the molecule adsorbed inside pores. The irradiation wavelength was found as a key variable upon phenol photooxidation reaction, with the best optimum performance at low and high wavelengths, and a minimum photodegradation yield at ca. 400 nm for all tested carbon materials. Another parameter strongly influencing the photoactivity of the nanoporous carbons was the surface functionalisation. When sulphur was incorporated to a carbon matrix, the light conversion towards the phenol photooxidation became more efficient and it was dependent on the nature of the S-containing groups. Further on, the analysis of photocurrent transients obtained by irradiating several nanoporous carbon electrodes exhibited different responses, with either anodic or cathodic photocurrent, and transient shapes, thus demonstrating the distinct nature of the catalysed reaction occurring onto electrode/electrolyte interface. The second stage deals with hybrid nanoporous carbon/semiconductor (i.e. WO3) electrodes which allowed to explore the role of nanoporous carbon as additive towards water oxidation reaction. The presence of carbon material had a notable effect on the hybrid electrode performance, in terms of conversion efficiency (IPCE), likely due to the improved collection of the photogenerated electrons by carbon matrix. An optimal amount of carbon additive of ca. 20 wt.% was obtained for the best performing hybrid electrode, with a twofold IPCE compared to that obtained for bare WO3 electrode. The effect of carbon matrix on WO3 performance was found dependent on semiconductor crystalline structure.

En aquest treball de tesi doctoral es presenta l’estudi del magnetisme de diferents materials de naturalesa metal•lorgànica emmarcats en diferents famílies. Per un cantó, tenim molècules d’alt espí amb anisotropia magnètica uniaxial negativa. Aquesta anisotropia genera una barrera d’energia en aquestes molècules que impedeix al moment magnètic girar lliurement i l’orienta de forma preferent en una direcció de l’espai. El moment magnètic pot canviar el seu sentit d’orientació superant la barrera d’energia de forma clàssica per activació tèrmica o quànticament per efecte túnel. Aquesta propietat es pot utilitzar per aplicacions tecnològiques d’aquestes molècules en el camp de la gravació magnètica d’ultra-alta densitat o en el camp de la computació quàntica, com a qubits magnètics. En la primera part d’aquesta tesi es presenten els estudis de les propietats magnètiques d’algunes d’aquestes molècules pertanyents a la família del Mn12, en diferents entorns (des de monocristalls fins a partícules polimèriques passant per dissolucions), així com noves tècniques de caracterització magnètica d’aquestes molècules com és el dicroisme circular magnètic. Aquest mètode ens permet per primera vegada mesurar alguns fenòmens de física fonamental en aquestes molècules mitjançant caracterització magneto-òptica, com és ara l’efecte túnel del moment magnètic macroscòpic. En el segon bloc d’aquesta tesis es presenta l’estudi del magnetisme d’una nova família de materials nanoporosos altament innovadors, sintetitzats a partir de radicals trifenilmetílics perclorats (PTM), funcionalitzats amb diferents grups carboxílics. L’ús d’aquests radicals ens ha portat a l’obtenció no només de materials nanoporosos amb un alt grau de porositat i unes propietats magnètiques destacables. La cristal•lització d’aquests radicals ha permès la obtenció del primer ferromagnet nanoporós purament orgànic, amb una temperatura de transició del ordre de 125 mK. La cristal•lització de combinacions d’aquests radicals amb ions de metalls de transició en la aproximació metal-orgànica ha donat lloc a varis sistemes notables. La combinació de ions de Cu(III) amb radicals PTM ens permet obtenir la primera esponja magnètica, material nanoporós amb uns 3 nm de diàmetre i amb propietats de pèrdua i reabsorció de solvents reversibles i detectables a través de les seves propietats magnètiques, convertint-se per tant en un sensor magnètic selectiu a certs dissolvents. Per altra banda, la combinació de ions de Co(II) amb els radicals PTM ens porta a la primera estructura nanoporosa magnètica formada per sistemes helicoïdals no inter penetrats i que presenta uns fenòmens de relaxació lenta molt inusuals: aquesta relaxació presenta una forta dependència amb el camp magnètic aplicat y pot ser descrita mitjançant el model de Davidson-Cole. Així doncs, en aquesta tesi es presenten l’estudi de les propietats magnètiques de diversos materials diferents les propietats dels quals poden ser aprofitades sens dubte per aplicacions d’alt nivell tecnològic que van des de la computació quàntica a sensors magnètics de baixa temperatura, passant per la gravació magnètica d’alta densitat. Els resultats presentats han donat lloc a una sèrie de publicacions en revistes científiques d’alt nivell que es detallen a continuació: 1. Gerbier Ph., et al., Synthesis and Characterization of a [Mn12O12(O2CR)16(H2O)4] Complex Bearing Paramagnetic Carboxylate Ligands. Use of a Modified Acid Replacement Synthetic Approach, Monatshefte für Chemie 134 (2003) 265-276 2. Maspoch D.,et al., A nanoporous molecular magnet with a reversible solvent-induced mechanical and magnètic properties, Nature Materials, 2 (2003) 190-195 3. Ruiz-Molina D.,et al., Isolated Single-Molecule Magnets on the Surface of a Polymeric Thin Film, Advanced Materials, 15 (2003) 42-45 4. Domingo N., et al., Synthesis and Characterization of a new chiral nanomagnet, Polyhedron, 22 (2003) 2355-2358 5. Domingo N., et al., Magnetism of Isolated Mn12 Single-molecule Magnets Detected by Magnetic Circular Dichroism: Observation of Spin Tunneling with a Magneto-optical Technique, Physical Review B 69 (2004) 052405 6. Maspoch D., et al., Self-assembly of a Dicarboxylic Radical: a New Pure Organic Robust Paramagnetic Nanoporous Molecular Material, Journal of the American Chemical Society, 126 (2004) 730-731 7. Maspoch D., et al., A New Robust Nanoporous Pure Organic Magnet, Angewandte Chemie Int. Ed. 43 (2004) 1828-1832 8. Gerbier Ph., et al., Chiral, single-molecule nanomagnets: synthesis, magnètic characterization and natural and magnètic circular dichroism, Journal of Materials Chemistry 14 (2004) 2455-2460 9. Maspoch D., et al.,Open-shell nanoporous salts formed by the supramolecular assembly of a polycarboxylate perchlorinated triphenylmethyl radical and a Co(bpy)3]2+ cation, Crystal Engineering Communications, 6 (2004) 573 - 578 10. Maspoch D., et al., Carboxylic-substituted Polychlorotriphenylmethyl Radicals, New Organic Building-Blocks to Design Nanoporous Magnetic Molecular Materials, Comptes Rendus Chemie 8 (2005) 1213-1225 / This work shows the study of magnetism of different metal-organic materials from different families. On one side, there are the high spin molecules with negative uniaxial magnetic anisotropy. This anisotropy is the origin of an energy barrier in this type of molecules that blocks the orientation of magnetic moment in a single direction of the space. The magnetic moment can change the sense of its orientation in two ways: classically, by thermal activation over the energy barrier, or in a quantic manner, by quantic tunneling effect of the macroscopic magnetic moment through the energy barrier. This property allows thinking about applications of these type of molecules for ultra-high density magnetic recording and quantum computing, as magnetic qubits. The first part of this thesis is devoted to the study of the magnetic properties of some of this molecules of the Mn12 family, in different environments (from monocrystals to polymeric thin films and dissolutions), as well as new characterization techniques for the magnetic characterization of these molecules such as magnetic circular dichroism. This technique, allowed for the first time the measurement of some fundamental physics phenomena in this molecules through magneto-optical characterization, such as the quantum tunneling of the macroscopic magnetic moment. The second part of this thesis is devoted to the study of the magnetic properties of a new family of nanoporous metal-organic and pure organic materials, synthesized on the basis of perclorated triphenylmethyl radicals (PTM), functionalized with different carboxylic groups. The use of this radicals lead to nanoporous materials with a very high degree of porosity combined with interesting magnetic properties. For example, it is shown the first pure organic nanoporous ferromagnet, with a transition temperature of the order of 125 mK. The combination of these radicals with transition metal ions in the metal-organic approximation, also lead to interesting systems. The combination with Cu(III) ions with PTM radicals lead to the first nanoporous magnetic sponge, with reversible properties of solvent absorption-desorption that can be monitorized through its magnetic properties, thus becoming a low temperature magnetic sensor with solvent selectivity. Finally, the combination of Co(II) ions with PTM radicals lead to the firms nanoporous magnetic structure with non-interpenetrated helical networks that show an unusual slow relaxation of the magnetization; this relaxation shows a strong dependence with the magnetic field and can be described with the Davidson-Cole model.

[ES] En este trabajo estudiamos dos reacciones catalíticas relevantes para la industria y la localización del anión fluoruro en la zeolita RTH, sintetizada en medio fluoruro. El capítulo 3 es el primer capítulo de resultados, donde se estudia la reducción quimioselectiva del nitroestireno en las superficies Ni(111), Co(111), Cu(111) y Pd(111). El mecanismo generalmente aceptado de esta reacción está basado en el esquema propuesto por Haber en 1898, en el que la reacción puede transcurrir por dos rutas, la directa y la de condensación. En este capítulo exploramos ambas rutas, y observamos que la ruptura de los enlaces N-O y la consecuente formación de enlaces metal-O está más favorecida que la formación de enlaces N-H en las superficies Ni(111) y Co(111), debido al carácter oxofílico de ambos metales. Las etapas más lentas involucran la formación de enlaces N-H. En las superficies de metales nobles como Pt(111) y Pd(111) se observa el comportamiento contrario. La superficie Cu(111) es un caso intermedio comparado con los metales nobles y no nobles. Además, el nitroestireno interactúa con los átomos de Cu de la superficie solo a través de grupo nitro, con lo cual es un candidato ideal para alcanzar selectividades cerca del 100%. Sin embargo, la superficie Cu(111) no es capaz de activar la molécula de H2. En este sentido, proponemos un catalizador bimetálico basado en Cu, dopado con otro metal capaz de activar al H2, tales como el Pd o el Ni. En los capítulos 4 y 5 se ha estudiado la reducción catalítica selectiva de los óxidos de nitrógeno (SCR, en inglés) con amoníaco. Usando métodos de DFT, hemos encontrado rutas para la oxidación de NO a NO2, nitritos y nitratos con energías de activación relativamente bajas. También, hemos encontrado que la reducción de Cu2+ a Cu+ requiere la participación simultánea de NO y NH3. Posteriormente, hemos estudiado la influencia del NH3 en este sistema con métodos de dinámica molecular. El NH3 interacciona fuertemente con el Cu+ de forma que dos moléculas de este gas son suficientes para romper la coordinación del catión Cu+ con los oxígenos del anillo 6r, y formar el complejo lineal [Cu(NH3)2]+. Además, los cationes Cu2+ pueden ser estabilizados fuera de la red mediante la formación del complejo tetraamincobre(II). Debido a la presencia de los cationes Cu+ y Cu2+ coordinados a la red de la zeolita, aparecen bandas en la región entre 800-1000 cm-1 del espectro infrarrojo. El análisis de las frecuencias IR de varios modelos con Cu+ y Cu2+ coordinados al anillo 6r, o formando complejos con amoniaco indica que cuando los cationes Cu+ y Cu2+ están coordinados a los oxígenos del anillo 6r aparecen vibraciones entre 830 y 960 cm-1. Frecuencias en esta zona también se obtienen en los casos en que NO, NO2, O2 y combinaciones de dos de ellos están adsorbidos en Cu+ y Cu2+. Sin embargo, cuando los cationes Cu+ y Cu2+ están fuera del anillo (no hay enlaces entre los cationes de cobre y los oxígenos del anillo 6r) no se obtienen vibraciones de IR en esta región del espectro. Estos resultados indican que con el seguimiento del espectro IR durante la reacción SCR es posible determinar si los cationes Cu+ y Cu2+ están coordinados o no al anillo de 6r en las etapas de oxidación y reducción. Por último, hemos simulado el desplazamiento químico de 19F, δiso,, en la zeolita sintetizada RTH. El análisis del δiso de los distintos modelos utilizados nos ha permitido reconocer la simetría del material sintetizado, el cual pertenece al grupo espacial P1 y la nueva celda unidad ha sido confirmada experimentalmente por difracción de rayos X. Finalmente, hemos asignado la señal experimental que aparece en el espectro de 19F a -67.2_ppm, al F- localizado en un sitio T2, el cual es a su vez la posición más estable. Además, la señal a -71.8 ppm se ha asignado al anión F- localizado en un sitio T4. / [CA] En aquest treball estudiem dues reaccions catalítiques rellevants per a la indústria i la localització de l'anió fluorur en la zeolita RTH, sintetitzada al mig fluorur. El capítol 3 és el primer capítol de resultats, on s'estudia la reducció quimioselectiva del nitroestireno en les superfícies Ni(111), Co(111), Cu(111) i Pd(111). El mecanisme generalment acceptat d'aquesta reacció està basat en l'esquema proposat per Haver-hi en 1898, en el qual la reacció pot transcórrer per dues rutes, la directa i la de condensació. En aquest capítol explorem totes dues rutes, i observem que la ruptura dels enllaços N-O i la conseqüent formació d'enllaços metall-O està més afavorida que la formació d'enllaços N-H en les superfícies Ni(111) i Co(111), a causa del caràcter oxofílico de tots dos metalls. Les etapes més lentes involucren la formació d'enllaços N-H. En les superfícies de metalls nobles com Pt(111) i Pd(111) s'observa el comportament contrari. La superfície Cu(111) és un cas intermedi comparat amb els metalls nobles i no nobles. A més, el nitroestireno interactua amb els àtoms de Cu de la superfície sol a través de grup nitre, amb la qual cosa és un candidat ideal per a aconseguir selectivitats prop del 100%. No obstant això, la superfície Cu(111) no és capaç d'activar la molècula d'H2. En aquest sentit, proposem un catalitzador bimetàl·lic basat en Cu, dopat amb un altre metall capaç d'activar a l'H2, com ara el Pd o el Ni. En els capítols 4 i 5 hem estudiat la reducció catalítica selectiva dels òxids de nitrogen (SCR, en anglés) amb amoníac. Usant mètodes de DFT, hem trobat rutes per a l'oxidació de NO a NO2, nitrits i nitrats amb energies d'activació relativament baixes. També, hem trobat que la reducció de Cu2+ a Cu+ requereix la participació simultània de NO i NH3. Posteriorment, hem estudiat la influència del NH3 en aquest sistema amb mètodes de dinàmica molecular. El NH3 interacciona fortament amb el Cu+ de manera que dues molècules d'aquest gas són suficients per a trencar la coordinació del catió Cu+ amb els oxígens de l'anell 6r, i formar el complex lineal [Cu(NH3)2]+. A més, els cations Cu2+ poden ser estabilitzats fora de la xarxa mitjançant la formació del complex tetraamincobre(II). A causa de la presència dels cations Cu+ i Cu2+ coordinats a la xarxa de la zeolita, apareixen bandes a la regió entre 800-1000 cm-1 de l'espectre infraroig. L'anàlisi de les freqüències IR de diversos models amb Cu+ i Cu2+ coordinats a l'anell 6r, o formant complexos amb amoníac indica que quan els cations Cu+ i Cu2+ estan coordinats als oxígens de l'anell 6r apareixen vibracions entre 830 i 960 cm-1. Freqüències en aquesta zona també s'obtenen en els casos en què NO, NO2, O2 i combinacions de dues d'ells estan adsorbidos en Cu+ i Cu2+. No obstant això, quan els cations Cu+ i Cu2+ estan fora de l'anell (no hi ha enllaços entre els cations de coure i els oxígens de l'anell 6r) no s'obtenen vibracions d'IR en aquesta regió de l'espectre. Aquests resultats indiquen que amb el seguiment de l'espectre IR durant la reacció SCR és possible determinar si els cations Cu+ i Cu2+ estan coordinats o no a l'anell de 6r en les etapes d'oxidació i reducció. Finalment, hem simulat el desplaçament químic de 19F, δiso, en la zeolita sintetitzada RTH. L'anàlisi del δiso dels diferents models utilitzats ens ha permés reconéixer la simetria del material sintetitzat, el qual pertany al grup espacial P1 i la nova cel·la unitat ha sigut confirmada experimentalment per difracció de raigs X. Finalment, hem assignat el senyal experimental que apareix en l'espectre de 19F a -67.2 ppm, al F- localitzat en un lloc T2, el qual és al seu torn la posició més estable. A més, el senyal a -71.8 ppm s'ha assignat a l'anió F- localitzat en un lloc T4. / [EN] In this work, we have studied two heterogeneous catalytic reactions and the localization of the fluoride anion in the as-made RTH framework, synthesized in fluoride medium. The first results, included in chapter 3, correspond to the chemoselective reduction of nitrostyrene on different metal surfaces, i.e, Ni(111), Co(111), Cu(111) and Pd(111). Until very recently, the reduction of the nitro group was explained on the basis of the general mechanism proposed by Haber in 1898 where the reaction can follow two routes, the direct and condensation route. We have explored the relevant elementary steps of both routes and found that because of the oxophilic nature of Ni and Co, the steps involving the dissociation of N-O bonds and formation of metal-O bonds are significantly favored compared with the other steps on both metal surfaces. In addition, the most demanding steps in terms of energy involve the formation of N-H bonds. These findings are in contrast to those of noble metals such as Pt and Pd, where the opposite behavior is observed. The behavior of Cu(111) lies in between the aforementioned cases, and also no chemical bonds between the carbon atoms of the aromatic ring of nitrostyrene and the Cu(111) surface is formed. For this reason, it might be an ideal candidate to achieve nearly 100 % selectivity. However, the Cu(111) surface does not seem to activate the H2 molecule. In this regard, we propose a bimetallic Cu-based catalyst whose surface is doped with atoms of a H2-activating metal, such as Ni or Pd. On another matter, we have also investigated the selective catalytic reduction of nitrogen oxides (SCR-NOx) and the main results are presented in the following two chapters, 4 and 5. By using static DFT methods, we found pathways for the oxidation of NO to NO2, nitrites and nitrates with relatively low activation energies. We also found, in agreement with experimental reports, that the reduction of Cu2+ to Cu+ requires the simultaneous participation of NO and NH3. Later, molecular dynamics simulations allowed us to assess the influence of NH3. The strong interaction of NH3 with the Cu+ cation is evidenced by its ability to detach Cu+ from the zeolite framework and form the mobile linear complex [Cu(NH3)2]+. Cu+ is no longer coordinated to the zeolite framework in the presence of two NH3 molecules. This observation and the fact that the T-O-T vibrations of the framework produce bands in the 800-1000 cm-1 region of the IR spectrum when perturbed by the coordination of Cu+ and Cu2+ cations, indicate that bands in the 800-1000 cm-1 regions should be observed when both copper cations are bonded to the framework oxygens. Finally, we have also studied NMR properties of the as-made pure silica RTH framework, aiming at locating the compensating fluoride anion. The calculation of the 19F chemical shift in different T sites and comparison with the experimental NMR spectra shows that the as-made RTH belongs to the P-1 space group with 16 Si, 32 O atoms, one fluoride anion and one OSDA cation. These results have been confirmed experimentally by XRD. In addition, we have assigned the experimental signal of 19F at -67.2 ppm to the fluoride anion in a T2 site, which in turn is the most stable location found, and the signal of -71.8 ppm to a fluoride anion sitting in a T4 site. / My acknowledgements to “La Caixa foundation” for the financial support through “La Caixa−Severo Ochoa” International PhD Fellowships (call 2015), to the Spanish Supercomputing Network (RES), to the Centre de Càlcul de la Universitat de València, to the Flemish Supercomputer Center (VSC) of Ghent University for the computational resources and technical support, and to the Spanish Government through the MAT2017-82288-C2-1-P programme / Millan Cabrera, R. (2021). Computational study of heterogeneous catalytic systems. Kinetic and structural insights from Density Functional Theory [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/161934 / TESIS