Search

La combustió excessiva de combustibles fòssils té com a resultat l'emissió de diòxid de carboni (CO2), que està desencadenant problemes ambientals creixents, com ara l'escalfament global, l'augment del nivell del mar, el clima extrem i l'extinció d'espècies. Per tant, les tecnologies per a la conversió de CO2 en altres productes de valor estan jugant un paper vital per eliminar la concentració de CO2 a l'atmosfera. En aquest sentit, la conversió electroquímica de CO2, alimentat per energia renovable, en productes químics útils es considera una solució elegant per aconseguir el cicle del carboni. Tanmateix, a causa de la interioritat de les molècules de CO2 i de la reacció competitiva d'evolució d'hidrogen (HER), els principals reptes de CO2 RR són l'elevat requeriment de sobrepotencial associat a una termodinàmica desfavorable i una baixa eficiència faradaica (FE) per a un producte concret. Per tant, buscar un electrocatalitzador d'alta eficiència i econòmic és raonable i necessari per a aplicacions pràctiques. En les darreres dècades, els marcs metal·lorgànics (MOF) van absorbir les enormes consideracions en el camp de l'electrocatàlisi a causa de la seva gran superfície específica, una rica estructura de porus i llocs actius uniformement dispersos. Tot i que tenen un gran potencial en electrocàlisi, la majoria dels materials MOF encara pateixen una activitat insuficient, baixa conductivitat i poca estabilitat, cosa que dificultaria les seves aplicacions pràctiques. Especialment, en el camp del CO2 RR, s'han de tenir en compte molts paràmetres importants, inclosa una alta eficiència faradaica (FE), l'excessiu baix sobrepotencial, una gran densitat de corrent i una estabilitat robusta, entre d'altres. Per tant, el disseny racional dels MOF per complir els requisits anteriors tant com sigui possible és crucial per explotar el seu futur en aplicacions de CO2 RR. Per tant, en aquesta dissertació, vam fer molts esforços per desenvolupar catalitzadors basats en MOFs/deri, La combustión excesiva de combustibles fósiles da como resultado la emisión de dióxido de carbono (CO2), que desencadenó crecientes problemas ambientales, como el calentamiento global, el aumento del nivel del mar, el clima extremo y la extinción de especies. Por lo tanto, las tecnologías para la conversión de CO2 en otros productos de valor jugaron un papel vital para eliminar la concentración de CO2 en la atmósfera. En ese sentido, la conversión electroquímica de CO2 alimentado por energía renovable en productos químicos útiles se considera una solución elegante para lograr el ciclo del carbono. Sin embargo, debido a la interioridad de las moléculas de CO2 y la reacción competitiva de evolución de hidrógeno (HER), los principales desafíos en el campo CO2 RR son el alto requerimiento de sobrepotencial que representa la termodinámica desfavorable y la baja eficiencia faradaica (FE) para los productos objetivo. Por lo tanto, la búsqueda de un electrocatalizador económico y de alta eficiencia es sensato y necesario para aplicaciones prácticas. En las últimas décadas, las estructuras organometálicas (MOF) absorbieron las enormes consideraciones en el campo de la electrocatálisis debido a su gran área de superficie específica, rica estructura de poros y sitios activos uniformemente dispersos. Aunque con grandes potenciales en electrocatálisis, la mayoría de los materiales MOF todavía sufren de actividad insuficiente, baja conductividad y poca estabilidad, lo que dificultaría sus aplicaciones prácticas. Especialmente, en el campo de CO2 RR, se deben considerar muchos parámetros importantes, incluida la alta eficiencia faradaica (FE), bajo sobrepotencial, gran densidad de corriente y estabilidad robusta, etc. Por lo tanto, el diseño racional de MOF para cumplir con los requisitos anteriores tanto como sea posible es crucial para explotar sus futuras aplicaciones de CO2 RR. Por lo tanto, en esta disertación, hicimos muchos esfuerzos para desarrollar catalizadores basados e, The excessive combustion of fossil fuels results in the emission of carbon dioxide (CO2), which triggers increasing environmental problems, such as, global warming, rising sea levels, extreme weather, and species extinction. Therefore, the technologies for conversion of CO2 into other value products plays a vital role in order to eliminate the CO2 concentration in atmosphere. Thereinto, electrochemical conversion of CO2 powered by renewable energy to useful chemicals is considered as an elegant solution to achieve the carbon cycle. However, due to the innerness of CO2 molecules and competitive hydrogen evolution reaction (HER), the main challenges in the field CO2 RR are the high overpotential requirement that represents the unfavourable thermodynamics and low Faradaic efficiency (FE) for the target products. Therefore, searching for a high-efficient and cost-friendly electrocatalyst is sensible and necessary for practical applications. In the past decades, metal-organic frameworks (MOFs) engrossed the enormous considerations in the field of electrocatalysis because of their large specific surface area, rich pore structure, and uniformly dispersed active sites. Although they have a great potential in electrocatalysis, most MOFs materials still suffer from insufficient activity, low conductivity, and poor stability, which would hinder their practical applications. Especially, in the field of CO2 RR, many important parameters, including high FE, low overpotential, large current density and robust stability among others, should be considered. Thus, the rational design of MOFs to fulfil the above requirements as much as possible is crucial for exploiting their future in CO2 RR applications. Therefore, in this dissertation, we made many efforts to develop MOFs-based/derived catalysts with superior efficiency, activity, and stability for boosting the CO2 RR performance. This dissertation is divided into 5 chapters: Chapter 1 is the insights on the fundamental concepts about, Universitat Autònoma de Barcelona. Programa de Doctorat en Ciència de Materials

L'energia que s'origina de combustibles fòssils ha permés avenços molt remarcables a la nostra civilització durant el segle passat. No obstant, els combustibles fòssils no son il·limitats i suposen una font d'increment del diòxid de carboni a l'atmòsfera, amb els seus conseqüents efectes ambientals nocius. Millorar la eficiencia dels dispositius d'enmagatzematge d'energia i la conversió d'energia solar a hidrògen mitjançant la dissociació de l'aigua són tecnologies clau per encarar problemes energètics i ambientals. Els semiconductors que es presenten en abundància i són beneficiosos pel medi ambient han estat en el punt de mira durant els últims anys donades les seves característiques especifiques com a supercapacitors i dispositius per la dissociació de l'aigua. És conegut que les propietats capacitives dels semiconductors están molt afectades per la seva estructura a la nanoescala i la seva baixa conductivitat, limitant les densitats d'energia i potencia. Així doncs, entendre i manipular l'estructura jeràrquica a la nanoescala és essencial per dissenyar materials nanocompostos per l'emmagatzematge d'energia amb millores en la transferència de càrrega i habilitat de transportar ions electrolítics. Per la dissociació d'aigua fotoelectroquímica (PEC), la recombinació electró-forat al "bulk" i les interfícies juguen un paper molt determinant en l'actuació catalítica. La investigació sobre la modulació de la dinámica de transferencia de càrrega així com el nivell d'energia i la densitat d'estats de superfície sobre la modificació d'un segon semiconductor o catalitzadors per dissociació de l'oxígen (OEV) podrien ser de gran interés. Per altra banda, pels catalitzadors de evolució d'hidrògen (HEC), com la identificació de defectes estructurals, transmisió de fase i les vacants presents en materials 2D juguen un paper de vital interès per optimitzar els catalitzadors per la reacció d'evolució de l'hidrògen (HER) en la dissociació de l'aigua. Aquest treball està dividit e, The energy originated from fossil fuels has enabled the remarkable advancement of civilization over the past century. However, fossil fuels are not infinite in supply and they are a source of increasing atmospheric carbon dioxide and the associated abominable environmental effects. Improving the efficiency of the energy storage devices and conversion of solar energy into hydrogen energy via water splitting are key technologies to tackle the serious energy and environmental problems. Earth-abundant, environmental-friendly semiconductors for supercapacitor and water splitting applications have received great attention due to their specific characteristics. It is well established that the capacitive properties of semiconductors are greatly affected by their nanostructure and poor conductivity, leading to a limited energy and power densities. Thus, understanding and manipulating the hierarchical structure at the nanoscale is essential to design composite materials for energy storage with enhanced charge transfer and electrolyte ions transportation abilities. On one hand, in photoelectrochemical water splitting (PEC), the electron-hole recombination in the bulk interfaces plays a determinative role in the catalytic performance. The investigation about modulation of the charge transfer kinetics as well as the energy level and density of surface state upon the modification of a second semiconductor or oxygen evolution catalysts (OEC) could be of great interest. On the other hand, for hydrogen evolution catalysts (HEC), as the identification of structural defects, phase transmission and vacancies presented in the 2D materials play a vital role in optimizing the catalyst for hydrogen evolution reaction (HER) in water splitting. This dissertation is divided into 7 chapters: Chapter 1 is the introduction part, which includes the background of supercapacitors and water splitting and reviews the limited factors affecting the electrochemical properties of semiconductors for super

An ab initio study of the adsorption processes on NOx compounds on (1 1 0) SnO2 surface is presented with the aim of providing theoretical hints for the development of improved NOx gas sensors. From first principles calculations (DFT¿GGA approximation), the most relevant NO and NO2 adsorption processes are analyzed by means of the estimation of their adsorption energies. The resulting values and the developed model are also corroborated with experimental desorption temperatures for NO and NO2, allowing us to explain the temperature-programmed desorption experiments. The interference of the SO2 poisoning agent on the studied processes is discussed and the adsorption site blocking consequences on sensing response are analyzed.

The structural and optical properties of three different kinds of GaAs nanowires with 100% zinc-blende structure and with an average of 30% and 70% wurtzite are presented. A variety of shorter and longer segments of zinc-blende or wurtzite crystal phases are observed by transmission electron microscopy in the nanowires. Sharp photoluminescence lines are observed with emission energies tuned from 1.515 eV down to 1.43 eV when the percentage of wurtzite is increased. The downward shift of the emission peaks can be understood by carrier confinement at the interfaces, in quantum wells and in random short period superlattices existent in these nanowires, assuming a staggered band offset between wurtzite and zinc-blende GaAs. The latter is confirmed also by time-resolved measurements. The extremely local nature of these optical transitions is evidenced also by cathodoluminescence measurements. Raman spectroscopy on single wires shows different strain conditions, depending on the wurtzite content which affects also the band alignments. Finally, the occurrence of the two crystallographic phases is discussed in thermodynamic terms.

En este trabajo se presenta un estudio químico y estructural de las capas metálicas de Pt y TaSix utilizadas como puerta catalítica en sensores de gas de alta temperatura basados en dispositivos MOS de SiC. Para ello se han depositado capas de diferentes espesores sobre substratos de Si. Los resultados muestran que con la reducción del espesor de Pt y con un recocido se consigue aumentar la rugosidad de las capas de puerta, lo que debería aumentar la sensibilidad y la velocidad de respuesta de los dispositivos que las incorporasen. Otro efecto del recocido es la transformación química del material de la puerta que, para capas delgadas de Pt con TaSix, produce la transformación total Pt en Pt2Ta, lo que podría afectar a las características catalíticas de la puerta. Los primeros resultados eléctricos indican que, a pesar de que las capas de Pt empleadas son gruesas y compactas, los diodos MOS túnel de SiC son sensibles a los gases CO y NO2, aunque presentan una velocidad de respuesta bastante lenta.