Metallic Nanoparticle Exsolution in Complex Oxides: Advanced Control Strategies for Energy Conversion Applications
- Autores: Andrés López García
- Directores de la Tesis: Alfonso Juan Carrillo del Teso (codir. tes.), José Manuel Serra Alfaro (codir. tes.), Sara Iborra Chornet (tut. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de València ( España ) en 2025
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: Ainara Aguadero Garín (presid.), D. Pérez Coll (secret.), Jimmy A. Faria Albanese (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Química Sostenible por la Universidad de Castilla-La Mancha; la Universidad de Extremadura; la Universidad Jaume I de Castellón; la Universitat de València (Estudi General) y la Universitat Politècnica de València
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RiuNet
- Resumen
Numerosos procesos químicos de interés industrial y a gran escala dependen del uso de catalizadores, entre los cuales los metálicos soportados son esenciales en múltiples aplicaciones, incluida la transición hacia sistemas sostenibles de producción, conversión y almacenamiento energético. De ahí que gran parte de la investigación busque mejorar estos catalizadores para diseñar materiales más específicos y eficientes.
En este contexto, la exsolución surge como una alternativa prometedora para la formación in situ de nanopartículas metálicas. Inducida por reducción a alta temperatura, implica la migración de cationes metálicos desde la red cristalina (generalmente en óxidos tipo perovskita) hasta la superficie, donde nuclea y se ancla la nanopartícula. Este anclaje confiere ventajas de estabilidad, actividad y selectividad frente a métodos tradicionales como la impregnación. No obstante, al definirse formalmente en 2013, la técnica sigue siendo reciente y plantea numerosas incógnitas, sobre todo en cuanto al control de las propiedades de las nanopartículas obtenidas.
La tesis se centra en explorar nuevas tendencias de exsolución. En particular, aborda el desarrollo de aleaciones metálicas complejas, ya que la técnica ofrece una vía directa para formar nanopartículas aleadas. Mientras que la investigación previa se enfocó en sistemas binarios, aquí se avanza hacia aleaciones ternarias con potencial para catalizadores más selectivos y eficaces. Otro objetivo es lograr un control preciso de morfología y composición, permitiendo diseñar fases activas adaptadas a aplicaciones concretas.
Se emplearon dobles perovskitas basadas en Sr2Fe1.5Mo0.5O6-d, idóneas como electrodos en dispositivos electroquímicos. Su flexibilidad estructural facilita la sustitución de Fe por Co o Ni, logrando la exsolución de aleaciones ternarias. Ajustando las condiciones de reducción, se modificó la composición de la aleación según la temperatura. Estos materiales se aplicaron como electrodos en celdas SOEC para la electrólisis de CO2 a alta temperatura, mostrando diferencias notables de rendimiento.
Paralelamente, se estudiaron alternativas al método convencional, que exige altas temperaturas y flujos de H2. La aplicación de presión resultó clave para modificar la composición de las aleaciones y reducir la temperatura mínima de exsolución hasta 300 °C, una de las más bajas reportadas. Asimismo, se desarrolló un enfoque innovador basado en microondas, probado en La0.43Ca0.37Ti0.94Ni0.06O3-d para la exsolución de Ni. Este método eliminó la necesidad de calentamiento externo, redujo drásticamente los tiempos y permitió operar en atmósferas inertes. Las nanopartículas mostraron actividad estable en la reacción RWGS, revalorizando CO2 en CO, componente esencial del gas de síntesis.
Finalmente, la tesis amplía la exsolución más allá de perovskitas hacia óxidos de cerio (CeO2), materiales de gran interés en catálisis. Mediante estrategias de diseño estructural se logró la incorporación de metales nobles (Ru y/o Rh) y su posterior exsolución como nanopartículas, incluso en forma de aleaciones. Estos sistemas mostraron alta actividad y estabilidad en la descomposición catalítica de NH3 para la producción de H2.
En conjunto, el trabajo aborda tres frentes clave: el desarrollo de aleaciones complejas, la optimización del proceso mediante nuevas técnicas y la expansión hacia materiales menos explorados. Se confirma así la versatilidad de la exsolución como herramienta de funcionalización con gran potencial en conversión energética, área crucial para enfrentar los retos ambientales actuales.
