Desarrollo de modelos teóricos de nanoestructuras bimetálicas para la electrocatálisis del hidrógeno

Abstract

El presente trabajo de tesis abarca diferentes aspectos relacionados con el diseño de materiales y la posterior evaluación de la actividad electrocatalítica, utilizando como reacción prototipo una las etapas de la reacción de desprendimiento de hidrógeno (her). El estudio se realizó mediante la aplicación de herramientas de química computacional. Los materiales propuestos fueron nanoestructuras tipo conglomerados (2D) y alambres (1D) de Pd y Pt (de composición pura y bimetálica), depositados sobre un sustrato de Au(111). Inicialmente, se analizaron las nanoestructuras en fase gaseosa y cómo estas modificaron las propiedades electrónicas y geométricas luego de la deposición sobre el sustrato. Para el último caso, se analizó la estabilidad mediante el cálculo de la energía de enlace (entre las nanoestructuras y el sustrato), obteniéndose energías favorables en todos los casos. Para evaluar la actividad electrocatalítica de los materiales propuestos, se comenzó con el estudio la adsorción de un átomo de hidrógeno sobre diferentes sitios, a partir de cálculos basado en DFT, y se prosiguió con la aplicación de la Teoría de la Electrocatálisis para calcular la barrera energética de la etapa de Volmer (la cual forma parte del mecanismo de la her). En este aspecto, se han calculado diferentes parámetros de interés como las funciones de quimisorción, el nivel de energía del orbital 1s del hidrógeno, la energía de reorganización del solvente, entre otros, todos en función de la distancia del hidrógeno a las nanoestructuras.

The present thesis work covers different aspects related to the design of materials and the subsequent evaluation of the electrocatalytic activity, using as a prototype reaction one of the stages of the hydrogen release reaction (her). The study was carried out by applying computational chemistry tools. The proposed materials were Pd and Pt (of pure and bimetallic composition) nanostructures (2D) and wires (1D), deposited on an Au(111) substrate. Initially, the gas-phase nanostructures and how they modified the electronic and geometrical properties after deposition on the substrate were analyzed. For the latter case, stability was analyzed by calculating the binding energy (between the nanostructures and the substrate), obtaining favorable energies in all cases. To evaluate the electrocatalytic activity of the proposed materials, we started with the study of the adsorption of a hydrogen atom on different sites by DFT, and continued with the application of the Theory of Electrocatalysis to calculate the energy barrier of the Volmer step (her mechanism). In this aspect, different parameters of interest have been calculated, such as the chemisorption functions, the energy level of the 1s orbital of hydrogen, the solvent reorganization energy, among others, all as a function of the distance of hydrogen to the nanostructures.