"Propiedades adsortivas de átomos, dímeros y trímeros de Au en MgO : efecto del soporte y del tamaño de partícula"

Abstract

En catálisis heterogénea, las propiedades reactivas de las partículas metálicas soportadas dependen del tamaño de la partícula y del sitio específico del soporte en donde la partícula se adhiere. Se sabe que cuando un óxido es usado como soporte, los agregados metálicos interaccionan preferentemente con las vacancias de oxígeno superficiales. En particular, en MgO el tipo de vacancia más estudiado es el centro Fs generado por la pérdida de un átomo de O neutro; como consecuencia, en la cavidad quedan atrapados dos electrones. En este trabajo se estudia la adsorción de átomos, dímeros y trímeros de Au en diferentes sitios de MgO, tanto en sitios aniónicos (O2-) como en vacancias Fs ubicados en terraza, borde y esquina. Se analizan sus propiedades químicas utilizando al monóxido de nitrógeno (NO) como molécula de prueba. Todos los cálculos se realizaron utilizando el formalismo DFT (Teoría del Funcional de la Densidad) y el modelo de clusters. Los aspectos analizados fueron: 1) el estudio de la interfaz Au/MgO; 2) la adsorción de NO sobre Au/MgO; y 3) la formación de dímeros de NO como posibles especies intermediarias. Cuando las partículas de Au se unen al soporte a través de los sitios aniónicos, la carga que adquiere la partícula metálica es pequeña. El enlace entre la partícula y el óxido es fundamentalmente originado por la polarización de la partícula de oro. En cambio, sobre sitios Fs la carga acumulada en la propia cavidad se transfiere parcialmente al Au. Estas partículas cargadas negativamente se encuentran ligadas a un número determinado de cationes Mg2+, por lo que la interacción del Au en sitios Fs tiene un fuerte componente iónico. Los resultados indican que los sitios Fs, particularmente los ubicados en defectos topológicos, son centros de alta reactividad para la captura de átomos, dímeros y trímeros. Por otro lado, la adsorción de NO es más fuerte en las partículas con número impar de átomos de Au (Au1 y Au3) que en Au2. En los primeros casos, la molécula de NO (un radical) enlaza con otro sistema de capa abierta generando un fuerte enlace covalente. En términos generales, la interacción Au-NO parece estar gobernada por el valor del spin (por átomo de Au) presente en la partícula metálica. En general, la interacción Au-NO es insensible al sitio topológico donde se enlaza la partícula de Au; es decir, la fuerza de este enlace sufre poco al variar la coordinación de los sitios superficiales donde se ubica el agregado de Au. Las partículas Au1 y Au3 también resultan muy activas para la formación del dímero N2O2. En particular, sobre Au1 ubicado en Fs (terraza) la energía de formación del dímero es muy importante. En este caso el dímero se vuelca a la superficie mediante la formación de un enlace electrostático entre un O del dímero y un Mg2+ superficial. Al acercar una tercera molécula de NO al dímero ligado al Au1, se produce la reacción hacia N2O y NO2 sin barrera de activación. Por lo tanto, la especie N2O2 actúa como intermediario hacia la formación de los productos finales.

In heterogeneous catalysis the reactive properties of supported metal particles depend on the cluster size and on the specific site of the support where the particle is anchored. When an oxide is used as support, the metal aggregates interact preferentially with surface oxygen vacancies. In particular, on MgO the most study vacancy is Fs site which is generated for the lost of a neutral O atom; as consequence two electrons remain caught in the cavity. In this work its studies the adsorption of atoms, dimers and trimers of Au in different sites of MgO, anionic sites (O2-) and Fs vacancy places in terrace, edge and corner. The chemical properties were analyzed using NO as testing molecule. All the calculations were realized using DFT (Density Functional Theory) and the clusters model. The analyzed aspects were: 1) the study of Au/MgO interface; 2) the adsorption of NO on Au/MgO; and 3) The formation of NO dimers as possible intermediary species. When the Au particles join the support through anionic sites, the charge that the metallic particle gets is small. The bond between the particle and the oxide is originated by the polarization of the gold particle. On the other hand, on Fs sites the accumulated charge in the cavity partially transferred to the gold. This particles charged negatively are linked to a number of Mg2+ cations and thats why the interaction of Au in Fs sites has a strong ionic component. The results indicated that the Fs sites, located on topologic defect are centers of high reactivity for the capture of atoms, dimers and trimers. The adsorption of NO is stronger on the particles with odd number of atoms of Au (Au1 and Au3) than on Au2. In the first cases the NO molecule links with other open shell system generating a strong covalent bond. In general, the Au-NO interaction seems rules by the spin value present on the metallic particle. The Au-NO interaction is insensitive to the topologic sites were the Au particle bind. In other words, the strong of this bond suffers little when the coordination of the surface sites were the Au particle is located changed. The Au1 and Au3 particles also turn out to be very active to the formation of N2O2 dimer. In particular, on Au1 located on Fs (terrace) the formation energy of the dimmer is very important. In this case, the dimer leans to the surface through the formation of an electrostatic bond between the O of the dimer and a surface Mg2+. When a third NO molecule is approaches to the dimmer linked to de Au it produce the reaction to N2O and NO2 without activation barrer. Therefore, the N2O2 species act as intermediated to the formation of the final products.