Estudios computacionales y experimentales de reacciones superficiales relacionadas con celdas de combustible

Abstract

Conclusiones: Dentro del contexto que involucra a las reacciones superficiales, especialmente en celdas de combustible, el objetivo primordial de esta tesis ha sido conocer, en detalle microscópico, el comportamiento catalítico de especies químicas sencillas en superficies de diferentes metales de transición, con orientación cristalográfica (100). Para cumplir con el objetivo propuesto se realizaron cálculos de primeros principios (DFT), simulaciones computacionales y mediciones experimentales. Las principales conclusiones que pudieron extraerse son las siguientes: En los Capítulos 3, 4, 5, se presentaron estudios DFT, utilizando el paquete del QUANTUM-ESPRESSO [33]. En una primera etapa, en el Capítulo 3 se estudió la adsorción y difusión de átomos de hidrógeno en superficies metálicas de Pt, Cu, Ag y Au. Se determinó que los sitios más estables para la adsorción fueron: el sitio hollow para la Ag y Cu y el bridge para Au y Pt. Esta información resultó importante para determinar el camino de difusión del átomo en las superficies, desde este sitio al próximo más estable. Del estudio de las velocidades de difusión se encontró que a T = 300 K, el átomo de hidrógeno difundió más rápidamente sobre la superficie de Ag(100) y más lento sobre la de Au(100). En el Capítulo 4, se estudió la adsorción y la difusión de H2O y de las especies O, O2 y OH sobre la superficie de Cu(100). Se encontró que el H2O prefirió unirse débilmente sobre un sitio top del metal, mientras que, el O, O2 y OH adsorbieron en un sitio hollow. Se encontró que a T = 300 K, de todas las especies estudiadas, el agua siempre difunde más velozmente sobre la superficie de Cu(100) y el oxígeno molecular lo hizo más lentamente. En el Capítulo 5, se calcularon las velocidades de difusión para los átomos de H y O en presencia de átomos vecinos sobre la superficie de Cu(100). Se encontró que la presencia de átomos preadsorbidos disminuyó las barreras de difusión de los átomo de H y O, lo que los hace que sean más móviles en la superficie. A pesar de esto, la difusión del átomo de H resultó más rápida que la del átomo de 128 CAPÍTULO 10. CONCLUSIONES Y PERSPECTIVAS FUTURAS O sobre la superficie de Cu(100), en varios órdenes de magnitud superior. En el Capítulo 6 se estudió la adsorción y la difusión de átomos de hidrógeno y oxígeno sobre diferentes superficies metálicas 100 calculados a partir del modelo de cluster implementado en el programa Gaussian [69] y se compararon con los analizados previamente en los Capítulos 3, 4 y 5, obtenidos a partir de otro modelo de cálculo (slab periódico). En general, los resultados estructurales de ambos modelos presentaron, cualitativamente, las mismas tendencias. En los Capítulos 7 y 8, se estudiaron diferentes sistemas, combinando simulaciones computacionales, aproximaciones teóricas y cálculos de DFT. En el Capítulo 7, se estudió el problema de percolación en un sistema realista. Se realizaron cálculos ab initio para la adsorción de átomos de hidrógeno en los sitios hollow de una superficie de Cu(100), teniendo en cuenta la presencia de primeros vecinos. Esta información se incluyó en simulaciones de Monte Carlo canónicas y gran canónicas. Debido a la no linealidad en las interacciones repulsivas entre los átomos adsorbidos, se encontró una forma particular para las isotermas de adsorción y para el diagrama de fase de regiones percolantes y no percolantes, especialmente a bajas temperaturas. Se estudiaron los exponentes críticos para analizar la universalidad a la que pertenece el sistema. En el Capítulo 8, los cálculos de DFT, las simulaciones de Monte Carlo (MC)