Estudio teórico de la adsorción de furfural sobre estructura tipo perovskita de SrTiO3 y parcialmente sustituida SrMxTi1-xO3 (M: Co, Cu).

Abstract

En esta tesis se estudia mediante la teoría del funcional de la densidad (DFT), la adsorción de furfural, un derivado de la biomasa, sobre la estructura tipo perovskita de SrTiO3 y parcialmente sustituida SrMxTi1-xO3 (M: Co, Cu). Para el modelamiento de la adsorción, se utilizó un clúster y un slab, con los paquetes computacionales Gaussian 16 y Quantum Espresso v6.3, respectivamente. En primer lugar, se realizó el estudio conformacional del furfural, encontrando dos posibles conformaciones de mínima energía: OO-cis y OO-trans furfural, con una diferencia entre ambas de 0,033 eV. Luego, se evaluaron múltiples configuraciones de adsorción del furfural sobre el modelo de superficie terminado en TiO2, privilegiando la interacción de los oxígenos del adsorbato con la superficie. Tras el proceso de optimización por ambas metodologías, los resultados sugieren que las configuraciones de adsorción más favorables son aquellas en que el adsorbato está ligeramente inclinado con respecto a la superficie, donde la principal interacción es a través del átomo de oxígeno carbonílico del furfural, a distancias menores de 2,20 Å del titanio. Desde el punto de vista electrónico, los resultados mediante análisis de las cargas NBO (implementado en Gaussian 16) y mediante las cargas de Löwdin (implementado en Quantum Espresso v6.3), muestran una transferencia de carga desde el oxígeno carbonílico al átomo de titanio, sugiriendo la existencia predominante de la especie Ti(IV), responsable de la adsorción del furfural sobre la superficie. En relación al efecto de la sustitución de Ti(IV) por Co(II) y Cu(II) en el modelo de clúster de SrMxTi1-xO3 (M: Co, Cu), los resultados sugieren que la presencia del metal y la vacancia de oxígeno, considerada como un defecto superficial intrínseco para estos materiales, influye notablemente en la estabilización del adsorbato sobre la superficie, particularmente a través de interacciones simultáneas del oxígeno carbonílico (para ambos confórmeros) con los centros metálicos de cobalto y cobre, resultando en las energías de adsorción mayores en términos de valor absoluto en comparación con SrTiO3 (-2 eV). Finalmente, los resultados obtenidos mediante las metodologías de clúster y de condiciones de borde periódico (slab), mostraron concordancia en las estructuras del furfural adsorbido. Por lo tanto, desde el punto de vista metodológico y en base a la información proporcionada por ambos enfoques de modelamiento, se concluye que son válidas para realizar futuras simulaciones que permitan estudiar a nivel atómico nuevos materiales que pueden ser potencialmente útiles como catalizadores para la producción de productos químicos de alto valor añadido derivados de la biomasa lignocelulósica.