Estudio computacional de la descomposición de CH4 catalizada por M13 clusters (M = Cu, Fe, Ni, Pd, Pt y Ru) para la producción de hidrógeno

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Resumen

En este trabajo se usó una metodología conjunta entre cálculos mediante la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT) y simulaciones de Monte Carlo Cinético (KMC) para estudiar la adsorción y deshidrogenación de CH4, y sus intermedios CHn, sobre clusters metálicos M13 de Cu, Fe, Ni, Pd, Pt y Ru. Se calcularon las estructuras óptimas de los clusters junto a los sitios preferidos de adsorción de las especies involucradas, obteniendo energías que indican una adsorción física para el caso del CH4 desde -0.13 eV en Ru13 hasta -0.48 eV en Ni13; utilizando correcciones de dispersión (DFT-D3). Posteriormente, se calcularon las barreras de activación para las reacciones elementales de deshidrogenación del CH4 mediante el método CI-NEB. Finalmente, se implementó un modelo KMC usando las energías y barreras obtenidas en DFT para predecir coberturas superficiales y desorción de H2 en función de la temperatura; las cuales fueron comparadas con un sistema de ecuaciones de modelo de campo medio. De esto se obtuvo una baja capacidad catalítica del Cu, mientras que los demás metales mostraron tendencias más favorables; destacando entre ellas el caso del Pd y Ru con temperaturas óptimas de producción de hidrógeno de 600 K y 800 K, respectivamente, junto a altas cantidades de desorción de H2 (Texto tomado de la fuente)

Abstract

In this work, a combined methodology of Density Functional Theory (DFT) calculations and Kinetic Monte Carlo (KMC) simulations was employed to study the adsorption and dehydrogenation of CH4, and its intermediates CHn, on metallic M13 clusters of Cu, Fe, Ni, Pd, Pt, and Ru. The optimal structures of the clusters were calculated along with the preferred adsorption sites of the involved species, yielding energies that indicate physisorption for CH4, ranging from -0.13 eV on Ru13 to -0.48 eV on Ni13, using dispersión corrections (DFT-D3). Subsequently, activation barriers for the elementary dehydrogenation reactions of CH4 were computed using the CI-NEB method. Finally, a KMC model was implemented using the calculated energies and barriers to predict surface coverages and H2 desorption as a function of temperature, which were compared with a mean-field model system of equations. From this, Cu was found to exhibit low catalytic activity, while the other metals displayed more favorable trends, with Pd and Ru standing out due to optimal hydrogen production temperatures of 600 K and 800 K, respectively, along with high amounts of H2 desorption

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