Estudio de las propiedades del TiO_2 modificado como soporte de reacciones catalíticas

Abstract

El objetivo de esta tesis es realizar un estudio teórico utilizando herramientas de primeros principios para determinar las propiedades del TiO2 modificado, relacionándolas con las potenciales aplicaciones catalíticas en la búsqueda de nuevos materiales de interés tecnológico. En todos los casos presentados, se ha intentado aportar claridad a la controversia existente en la literatura con respecto a algunas de las múltiples posibilidades de modificación del semiconductor estudiado entendiendo que el espectro de posibilidades ingenieriles de este material es altamente auspicioso y versátil. El dióxido de titanio (TiO2) es un semiconductor sensible a la luz que absorbe radiación electromagnética cerca de la región UV. Es anfotérico, muy estable químicamente y no atacable por la mayoría de agentes orgánicos e inorgánicos, no tóxico y biocompatible. Primeramente, se llevó a cabo una optimización meticulosa de las estructuras más estables, como lo son anatasa y rutilo, ya que es sabido que la titania no es un sistema de fácil modelado y que las propiedades electrónicas son altamente dependientes de la representación y códigos computacionales utilizados. Las modificaciones estructurales y electrónicas producidas por el monodopado, con elementos metálicos (Pt y V) y no metálicos (C y N) en diferentes posiciones y a diferentes concentraciones, así como las originadas por el codopado, han sido estudiadas en la búsqueda de mejorar la actividad catalítica. De acuerdo a evidencia experimental, la hetero-unión de dos catalizadores diferentes o de dos o más fases de un mismo catalizador como la titania, favorece la actividad posiblemente debido a una mayor eficiencia en la separación de los portadores de carga que actuarían modificando las propiedades óxido-reductoras finales del sistema. A fin de comprender los mecanismos implicados en la misma, se realizó un análisis de la alineación de las bandas en las fases mixtas anatasa-rutilo de la titania. Por último se modelaron dos de los pasos elementales de la reacción de conversión de monóxido de carbono (CO) con agua o water gas shift (WGS) en los sistemas metal/soporte puro y modificado, como complemento de resultados experimentales llevados a cabo por colaboradores, con la intención de realizar un aporte a la investigación aplicada.

The objective of this thesis is to perform a theoretical study using first principles tools to determine the properties of the modified TiO2, relating them to the potential catalytic applications in the search for new materials of technological interest. An attempt has been made, in all cases presented, to provide clarity to the long-standing controversy in the literature with regard to the many engineering possibilities of this highly auspicious and versatile material. Titanium dioxide (TiO2) is a light-sensitive semiconductor which absorbs electromagnetic radiation near UV region. It is amphoteric, chemically stable and not liable to be attacked by most organic and inorganic agents; it is also non-toxic and biocompatible. Firstly, a careful optimization of the most stable titania structures, as both anatase and rutile are, has been carried out because it is known that it is not an easy modeling system and their electronic properties are highly dependent on the representation and computational codes used. The structural and electronic modifications produced by monodoping with metals (Pt and V) and non-metals (C and N) in different positions and at different concentrations, as well as those caused by the codoping, have been studied in the search for improved catalytic activity. Based on experimental evidence, the hetero-junction of two different catalysts or of two or more phases of the same catalyst as titania, favors the activity possibly due to greater efficiency in the separation of the charge carriers that act by modifying the final oxide-reducing properties of the system. In order to understand the mechanisms involved in it, an analysis of the alignment of the anatase-rutile bands of titania mixed phase was made. Finally two of the elementary steps of the water gas shift (WGS) reaction on the pure and modified metal/support systems were modeled, as a complement to experimental results conducted by collaborators with the intention to make a contribution to applied research.