Estudio teórico de la adsorción y reacción de CO/CO2/H2para la obtención de metanol utilizando catalizadores de Ga2O3, CeO2 y ZnO

Abstract

La creciente demanda energética por el crecimiento demográfico y el desarrollo de países antes no industrializados, ocurrido en las últimas décadas, ha derivado en la imperiosa necesidad de obtener combustibles nuevos, limpios y eficientes. En esta búsqueda ha surgido el hidrógeno como potencial vector energético para el futuro. Es conocida ya la alta eficiencia del hidrógeno como recurso energético, como así también la baja contaminación ambiental que el mismo produce. Sin embargo, su utilización como combustible todavía conlleva dificultades técnicas no resueltas. Por ello es conveniente pensar en un combustible alternativo, versátil, y de fácil aplicación en su uso cotidiano, como lo es el metanol, para así disminuir el consumo de combustibles derivado de los hidrocarburos. En esta tesis se estudian, por un lado, todos los pasos para la síntesis de metanol a partir del gas CO en superficies catalíticas de óxidos de Cerio, Galio y Zinc. Complementariamente, se desarrolla una metodología teórica que puede ser extendida al estudio y análisis de otras reacciones superficiales. En los primeros capítulos se estudia la adsorción y reactividad de las moléculas de CO, CO2 y H2 sobre las superficies de CeO2 con cortes (111) y (331), Ga2O3(100) y ZnO(0001), perfectas y con vacancias de oxígeno. Las mismas reacciones se estudian en las superficies soportadas ZnO/CeO2(111) y Ga2O3/CeO2(111), como modelado del crecimiento epitaxial de una monocapa de ZnO y Ga2O3, respectivamente. Luego se estudia la síntesis de metanol a partir de reacciones de hidrogenación progresiva de CO. Se calculan las barreras de activación en cada paso de la síntesis y se describen también las posibles direcciones de cada reacción. Se concluye que la metodología de estudio es óptima para reacciones similares en un conjunto de óxidos.

The growing demand for energy due to population growth and development of non-industrialized countries in recent decades has led to the urgent need for new, clean and efficient fuels. In this search hydrogen an energy vector potential for the future. It is already known the high efficiency of hydrogen as an energy source is widely known, as the well as low environmental pollution it produces. However, its use as a fuel has difficulties still unresolved. Therefore it is convenient to think of an alternative fuel, versatile, and easy to apply in daily use (such as methanol) to reduce the consumption of oil-derived fuels. In this thesis, studies- on the one hand, all the steps for the synthesis of methanol from CO gas in catalytic surfaces of oxides of cerium, gallium and zinc; and on the other hand, it develops a theoretical methodology that can be extended to the study and analysis of other surface reactions. The early chapters, study the adsorption and reactivity of molecules of CO, CO2 and H2 on surfaces CeO2 with cuts (111) and (331), Ga2O3(100) and ZnO(0001)-perfect and with oxygen vacancies. The same reactions are studied on surfaces supported ZnO / CeO2 (111) and Ga2O3 / CeO2 (111)as a modeling of epitaxial growth of a monolayer of ZnO and Ga2O3, respectively. Then, the methanol synthesis is studied from reactions of progressive hydrogenation of CO. Activation barriers at each step of the synthesis are calculated the possible directions of each reaction are describe. In conclusion, the methodology used in this thesis is appropriate for similar reactions in a set of oxides.