MXene-based materials for the catalytic, electrocatalytic and photothermal production of fuels and chemicals

[ES] El impacto de las actividades industriales y agrícolas en el clima es un hecho incontrovertible, debido a la acumulación de gases de efecto invernadero, principalmente CO2. Aunque la adopción de energías renovables se ha acelerado, se requieren medidas en los sectores de difícil descarbonizació...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor: Kruger, Dawid Daniël
Tipo de recurso: tesis doctoral
Fecha de publicación:2026
País:España
Institución:Universitat Politècnica de València (UPV)
Repositorio:RiuNet. Repositorio Institucional de la Universitat Politécnica de Valéncia
Idioma:inglés
OAI Identifier:oai:dnet:riunet______::537eab12ec2ce6175cd32565344f9aa1
Acceso en línea:https://riunet.upv.es/handle/10251/234441
Access Level:acceso embargado
Palabra clave:MXene
2D materials
Titanium carbide
Lewis acid molten salt
Single atom
Single-atom catalyst
Electrocatalysis
Oxygen reduction reaction
ORR
Oxygen evolution reaction
OER
Electrolysis
Photocatalysis
Photothermal catalysis
CO2 reduction
Methanation
Catalysis
Nitrophenol reduction
07.- Asegurar el acceso a energías asequibles, fiables, sostenibles y modernas para todos
09.- Desarrollar infraestructuras resilientes, promover la industrialización inclusiva y sostenible, y fomentar la innovación
12.- Garantizar las pautas de consumo y de producción sostenibles
13.- Tomar medidas urgentes para combatir el cambio climático y sus efectos
Descripción
Sumario:[ES] El impacto de las actividades industriales y agrícolas en el clima es un hecho incontrovertible, debido a la acumulación de gases de efecto invernadero, principalmente CO2. Aunque la adopción de energías renovables se ha acelerado, se requieren medidas en los sectores de difícil descarbonización, impulsando la necesidad de tecnologías para la producción renovable de combustibles y productos químicos. La catálisis heterogénea es un campo crítico para el acoplamiento eficiente de fuentes de energía renovables con transformaciones químicas. Recientemente, los carburos/nitruros de metales de transición 2D (MXenes) han surgido como materiales clave para estas aplicaciones. En esta tesis, se exploran nanohíbridos de Ti3C2 MXene con metales de transición tardíos, en particular la «tríada del hierro» (Fe, Co y Ni), para conversiones catalíticas compatibles con la mitigación del cambio climático. Se investigan dos formas de nanohíbridos, derivadas de la síntesis en sales fundidas de ácidos de Lewis (LAMS), nanoestructuras (bi)metálicas (Ni, Fe o aleaciones Ni-Fe) soportadas en Ti3C2 con grupos superficiales de haluros, y Átomos individuales aislados (SA) de Co y/o Fe estabilizados en Ti3C2Tx MXene. Se desarrollaron átomos individuales de Fe soportados en Ti3C2 como un electrocatalizador eficiente para la reacción de reducción de oxígeno (ORR). La presencia de Fe se observó mediante microscopía AC-HAADF-STEM y espectroscopía EDS, resultados respaldados por EXAFS, que mostró una estructura local coherente con átomos aislados. La actividad y selectividad de la ORR (2e- o 4e-) pudieron modularse mediante los grupos superficiales. Entre los grupos -Cl, -Br y -NH, el sobrepotencial más bajo lo presentó Fe(SA)-Ti3C2NHx, con una selectividad hacia el peróxido del 75% (2.5e-). La reacción de evolución de oxígeno (OER) es clave para los electrolizadores de agua, pero presenta una cinética lenta. Se empleó una síntesis escalable con NiCl2 y FeCl2 como mezcla de sales de grabado para optimizar nanohíbridos bimetálicos NixFey-Ti3C2Clx. La muestra Ni1Fe1-Ti3C2Clx presentó un sobrepotencial de 310 mV a 10 mA cm-2 y una pendiente de Tafel de 48 mV dec-1. La actividad se correlacionó con el potencial redox Ni(III)/Ni(II). AC-HAADF-STEM confirmó la formación de una aleación Ni-Fe nanoestructurada unida al soporte de Ti3C2Clx. Los cálculos de DFT sugieren que el mecanismo de evolución del adsorbato (AEM) es preferible al mecanismo del oxígeno de la red (LOM). Se extendió el desarrollo de Fe/Ti3C2Tx para crear Ti3C2Clx con átomos individuales de Co y Fe. El análisis EXAFS respaldó la formación de un catalizador de átomo dual Co-Fe con átomos en vacantes de Ti. El material CoFe(DAC)-Ti3C2Clx se comparó con muestras de Fe(SA) y Co(SA) en la reducción de 4-nitrofenol con NaBH4. Mientras que las muestras de átomos individuales mostraron una actividad mínima, el CoFe(DAC) exhibió una mejora extraordinaria en su rendimiento. Para la activación de CO2, se sintetizó una heterounión Ni/Ti3C2Clx mediante grabado LAMS, consistente en nanoplacas de Ni ancladas a través de TiNi3 interfacial, estableciendo un mecanismo de transferencia de carga de esquema S. Bajo condiciones fototérmicas, la sinergia entre el Ni metálico, el NiOx superficial y el MXene induce una migración de carga direccional. La distribución de productos entre CH4 y CH3OH se modula según el estado superficial del conjunto interfacial Ni/NiOx; la selectividad hacia el metanol se optimiza en superficies moderadamente oxidadas, mientras que la oxidación extensa favorece al metano. En conjunto, estos hallazgos proporcionan una estrategia para diseñar nanohíbridos basados en MXenes para dirigir la actividad y selectividad catalítica, destacando el papel de los estados superficiales, los grupos funcionales y el equilibrio de las especies catalíticas.

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