Resumen de First-principles mechanistic studies of ammonia-related industrial processes
En la presente tesis doctoral, se ha llevado a cabo un estudio mediante la teoría del funcional de la densidad (DFT) sobre los mecanismos que gobiernan cuatro importantes procesos industriales relacionados con el amoníaco: el proceso Ostwald de producción de ácido nítrico, los procesos Degussa y Andrussow de producción de ácido cianhídrico y por último, el proceso MacArthurForrest de extracción de oro de sus minerales mediante sales de cianuro.Proceso Ostwald: Se han estudiado las barreras de activación y la termodinámica de las reacciones en el proceso de formación de NO sobre Au, Cu, Ir, Pd, Pt y Rh en las superficies (111) y (211). Asímismo, se ha estudiado el proceso sobre una aleación de PtRh como la utilizada industrialmente. Finalmente, la estabilidad termodinámica de los óxidos de platino y rodio en función de la presión de oxígeno y de la temperatura ha sido analizada.Se ha encontrado una alta selectividad a producción de NO para las superficies de Pt. Aunque Rh(211) y Pd(111) muestran una gran preferencia por la recombinación N+O respecto a la N+N, la desorción de NO está fuertemente impedida. Esto provoca que pueda disociarse de nuevo. No se ha encontrado que la adición de impurezas de Rh a la superficie de Pt favorezca la selectividad del proceso, aunque si mejora la estabilidad del material, ya que el Rh forma óxidos de mayor estabilidad que el Pt y presenta menor volatilidad.Procesos Degussa y Andrussow:Se ha realizado un estudio en el que se han determinado las barreras para las reacciones más relevantes en los procesos Degussa y Andrussow sobre la superficie Pt(111). Este estudio ha sido extendido a Au, Cu, Ir, Pd y Rh en condiciones no oxidativas.En Pt, se ha observado diferente mecanismo en función de la presencia (Andrussow) o no (Degussa) de oxígeno. En condiciones no oxidativas la recombinación de especies parcialmente hidrogenadas (CHx y NHy) y su posterior deshidrogenación es el camino de reacción más importante. En condiciones oxidativas las deshidrogenaciones están asistidas por oxígeno e hidroxilos y la población de especies cambia. De este modo, la reacción entre fragmentos poco (HC+N) o nada (C+N) hidrogenadas se convierte en el mecanismo de producción del enlace CN.Au y Cu muestran en general barreras pequeñas y reacciones exotérmicas para los procesos de recombinación. Se han determinado relaciones lineales entre las barreras de reacción para las disociaciones y la energía de adsorción del N atómico. Asímismo, se han encontrado relaciones lineales entre la energía de adsorción de las diferentes especies (CN, CNH y HCN) respecto a las energía de adsorción del átomo de C.Proceso MacArthurForrest: Para estudiar la interacción del grupo cianuro con las superficies Au(111) y (211) se ha realizado una comparación con el monóxido de carbono.Electrónicamente, la adsorción de CN en las superficies de oro es cualitativamente diferente de la de CO. La covalencia del enlace AuCN está apoyada por el análisis de cargas de Bader, las distancias de enlace y el análisis ELF. La adsorción de CN se incrementa ante la presencia de carga negativa o de compuestos electropositivos. El estudio apoya los mecanismos propuestos anteriormente, en los que la adsorción del primer grupo CN provoca la donación de un electrón a la superficie. La adsorción de un segundo grupo CN es termodinámicamente favorable y forma un precursor adecuado de la molécula soluble [Au(CN)2].
