Modelado químico-cuántico de la activación y disociación de CO2 en catalizadores inversos de óxido de tungsteno soportados en cobre

OSCAR HURTADO AULAR; NORBERTO J. CASTELLANI; RICARDO M. FERULLO; PATRICIA G. BELELLI

San Carlos de Bariloche

Congreso; 107 Reunión de la Asociación Física Argentina; 2022

AFA

El dióxido de carbono (CO2) es un gas de efecto invernadero que es emitido diariamente a la atmósfera mediante la combustión de hidrocarburos. Tanto la comunidad científica como la industrial se han concentrado en buscar formas de reutilizar el CO2 en la formación de compuestos químicos de valor agregado. Básicamente, se requiere la activación de la molécula mediante el alargamiento de sus enlaces C-O y la pérdida de su linealidad. No obstante, este proceso es muy complicado de realizar debido a que el CO2 es una molécula muy estable y casi inerte químicamente. Los catalizadores inversos, formados por partículas de óxidos metálicos soportadas sobre un metal de transición, se han revelado como materiales muy activos en la activación y disociación de CO2. En este trabajo, estudiamos la activación y disociación de CO2 sobre los catalizadores inversos de óxido de tungsteno soportados sobre la superficie Cu(111), W3Ox/Cu(111) con x = 9 o 6, utilizando cálculos periódicos basados en la teoría del funcional de la densidad implementada en el programa Vienna Ab initio Simulation Package (VASP), mediante el funcional PBE e incluyendo correcciones de dispersión. Los catalizadores se modelaron colocando los agregados de W3O6 y W3O9 sobre la superficie metálica, los cuales se adsorben con una energía de -4.17 eV y -1.59 eV, respectivamente. La molécula de CO2 no se activa en el sistema W3O9/Cu(111), pero sí lo hace en la interfaz óxido/metal del sistema W3O6/Cu(111), con una energía de -0.24 eV y adquiriendo una carga negativa de -0.83e. La activación involucra un estiramiento de los dos enlaces C-O desde 118 pm hasta 130 y 126 pm. El ángulo del enlace O-C-O se reduce desde 180.0 grados hasta 123.5 grados. La molécula de CO2 se disocia en la interfaz W3O6/Cu(111) superando una barrera de activación de 0.63 eV y con una energía de reacción exotérmica de -0.72 eV. En el estado de transición, la distancia del enlace C-O que se disocia aumenta desde 130 hasta 173 pm. En comparación, la disociación de CO2 en una superficie limpia de Cu(111) es menos favorable, mostrando una energía de reacción de 0.35 eV y una barrera de activación de 1.16 eV. Nuestros resultados sugieren que el sistema W3O6/Cu(111) es un catalizador prometedor para la activación y disociación de CO2.