Simulaciones de primeros principios de la adsorción/disociación de hidrógeno en nanoaleaciones de paladio

Abstract

En los procesos de obtención de energía a través del Hidrógeno en celdas de combustible y en el almacenamiento de Hidrógeno en materiales porosos basados en el carbono, el mecanismo de la disociación del Hidrógeno molecular (𝐻���2) juega un papel fundamental. En dichos procesos se vienen empleando nanopartículas metálicas de Paladio y Platino, con el objetivo de disminuir la energía necesaria para la disociación del Hidrógeno en forma de molécula. En este Trabajo de Fin de Grado, se estudiará el uso de una alternativa a las nanopartículas de Paladio y Platino, emplear nanoaleaciones, reduciendo así la cantidad empleada de estos metales preciosos, ya que resultan bastante costosos. Se estudiarán los procesos de adsorción y disociación del Hidrógeno molecular en pequeñas nanoaleaciones de seis átomos en total, compuestas de Paladio y Cobre, con distinta proporción de ambos elementos y haciendo uso de técnicas de simulación computacional, que se basan en la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT). Dichas técnicas de simulación avanzadas están basadas en la aplicación de la mecánica cuántica a sistemas de muchas partículas, y son comúnmente empleadas en el cálculo de estructuras electrónicas, presentando unos resultados bastante prometedores. Cabe destacar que este TFG es una continuación de una práctica de empresa, realizada bajo la tutela del Grupo de Física de Nanoestructuras de la Universidad de Valladolid, correspondiente al departamento de Física Teórica, Atómica y Óptica de la Facultad de Ciencias. En dicha práctica, se dieron los primeros pasos en el mundo de la nanotecnología y la nanociencia. Del mismo modo, se analizaron los principios de la DFT y su aplicación en software computacional, como lo es DACAPO, realizando algunas simulaciones de ejemplo de cálculos de estructuras geométricas, relacionadas con nanoestructuras metálicas de Paladio y la adhesión de Hidrógeno molecular. En el capítulo 1 de este TFG se dará una introducción a la nanociencia y a la nanotecnología, con el objetivo de contextualizar el trabajo realizado. Se hablará sobre nanopartículas y nanomateriales y, más concretamente, sobre las nanopartículas bimetálicas y el papel que juegan en los procesos de adsorción y desorción de Hidrógeno. En el capítulo 2, se pasará a explicar las bases y fundamentos de la Teoría del Funcional de la Densidad (DFT). Se realizará un recorrido histórico partiendo de la aproximación de Born – Oppenheimer hasta el desarrollo de las ecuaciones de Kohn – Sham en la década de 1960. Del mismo modo que con el modelo de Hartree – Fock, la DFT a través de un conjunto de ecuaciones resueltas autoconsistentemente es capaz de proporcionar el estado fundamental de un sistema. En el capítulo 3 se detallará la metodología y procedimiento general seguido durante este trabajo, así como la descripción del funcionamiento del software de simulación empleado para la realización de los cálculos, el software Quantum Espresso. El capítulo 4 está dedicado a la presentación de los resultados obtenidos en las distintas simulaciones, mientras que en el capítulo 5 se presentan las consecuentes conclusiones que de ellos derivan. Al final de este trabajo se adjuntan en los correspondientes anexos los complementos necesarios de este trabajo.

In the processes of obtaining energy through hydrogen in fuel cells and in the storage of hydrogen in porous carbon-based materials, the mechanism of dissociation of molecular hydrogen (𝐻��2) plays a fundamental role. In these processes, metallic palladium and platinum nanoparticles have been used, with the aim of reducing the energy necessary for the dissociation of hydrogen in the form of a molecule. In this work, the use of an alternative to Palladium and Platinum nanoparticles will be studied, using nano alloys, thus reducing the amount of these precious metals used, since they are quite expensive. The adsorption and dissociation processes of molecular Hydrogen in small nanoalloys of six atoms in total will be studied, composed of Palladium and Copper, with a different proportion of both elements and using computational simulation techniques, which are based on the Density Functional Theory (DFT). These advanced simulation techniques are based on the application of quantum mechanics to many-particle systems and are commonly used in the calculation of electronic structures, presenting some very promising results. It should be noted that this work is a continuation of a business practice, carried out under the tutelage of the Nanostructures Physics Group of the University of Valladolid, corresponding to the department of Theoretical, Atomic and Optical Physics of the Faculty of Sciences. In this practice, the first steps in the world of nanotechnology and nanoscience were taken. Similarly, the principles of DFT and its application in computer software, such as DACAPO, were analyzed, performing some example simulations of geometric structure calculations, related to Palladium metal nanostructures and the adhesion of molecular Hydrogen. Chapter 1 of this work will give an introduction to nanoscience and nanotechnology, with the aim of contextualizing the work done. We will talk about nanoparticles and nanomaterials and, more specifically, about bimetal nanoparticles and the role they play in the processes of adsorption and desorption of Hydrogen. In chapter 2, the bases and foundations of the Density Functional Theory (DFT) will be explained. A historical journey will be made starting from the Born - Oppenheimer approximation to the development of the Kohn - Sham equations in the 1960s. In the same way as with the Hartree - Fock model, the DFT through a set of equations resolved self-consistently it is capable of providing the ground state of a system. Chapter 3 will detail the general methodology and procedure followed during this work, as well as the description of the operation of the simulation software used to perform the calculations, the Quantum Espresso software. Chapter 4 is dedicated to the presentation of the results obtained in the different simulations, while in chapter 5 the consequent conclusions derived from them are presented. At the end of this work, the necessary complements of this work are attached in the corresponding annexes.