Jaime Gómez Díaz
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FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN: 978-84-694-1247-3 Dipòsit Legal: T-317-2011 ADVERTIMENT. La consulta d’aquesta tesi queda condicionada a l’acceptació de les següents condicions d'ús: La difusió d’aquesta tesi per mitjà del servei TDX (www.tesisenxarxa.net) ha estat autoritzada pels titulars dels drets de propietat intel·lectual únicament per a usos privats emmarcats en activitats d’investigació i docència. No s’autoritza la seva reproducció amb finalitats de lucre ni la seva difusió i posada a disposició des d’un lloc aliè al servei TDX. No s’autoritza la presentació del seu contingut en una finestra o marc aliè a TDX (framing). Aquesta reserva de drets afecta tant al resum de presentació de la tesi com als seus continguts. En la utilització o cita de parts de la tesi és obligat indicar el nom de la persona autora. ADVERTENCIA. 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UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN:978-84-694-1247-3/T-317-2011 UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN:978-84-694-1247-3/T-317-2011 UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN:978-84-694-1247-3/T-317-2011 First-principles mechanistic studies of ammonia-related industrial processes Jaime G´omezD´ıaz Doctoral Thesis supervised by: Dra. N´uria L´opez Alonso Departament de Qu´ımica F´ısica i Inorg`anica Tarragona 2010 UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN:978-84-694-1247-3/T-317-2011 UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN:978-84-694-1247-3/T-317-2011 Institute of Chemical Research of Catalonia Avgda. Pa¨ısos Catalans 16 43007 Tarragona (Spain) I STATE that the present work entitled “First-principles mechanistic studies of ammonia-related processes” presented by Jaime G´omez D´ıaz to opt to the title of European Doctor, has been carried out under my su- pervision at the Institute of Chemical Research of Catalonia (ICIQ) and that it fulfils all the necessary requirements. Tarragona, November 2010 Dr. N´uria L´opez UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN:978-84-694-1247-3/T-317-2011 UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN:978-84-694-1247-3/T-317-2011 Acknowledgments Esta tesis no hubiera sido posible sin su directora, N´uria L´opez, y sin la beca que me concedi´opara trabajar en un centro con recursos tan ex- traordinarios como los del ICIQ. Haluan kiitt¨a¨at¨all¨aerityisell¨atavalla FT Karoliina Honkalaa h¨anen vieraanvaraisuudestaan, mutta ennen kaikkea h¨anen yst¨av¨allisest¨aomistautumisestaan ohjaamiselleni. Una altra per- sona que em va ajudar for¸ca a acabar aquesta tesi va ser la N´uria Vendrell i la seva, sempre impecable, feina. Me gustar´ıa tambi´en agradecer a todas las instituciones que han financiado/apoyado mi trabajo de investigaci´on: ante todo el ICIQ, pero tambi´en otras como BSC, CSC, HPC-Europa2 program, etc. Ahora bien, si he llegado a esta etapa del camino en casi aceptables condiciones de salud mental y con pelo por encima de las cejas, es tambi´en culpa de mucha otra gente. No me gustar´ıa imaginarme como hubieran sido estos m´as de 4 a˜nos sin ella en el despacho... ¡Hecho, M´onica! Mucho, much´ısimo han contribuido tambi´en a esta tesis el resto de “los te´oricos”. Gracias, Ata, Gerard, Pere, Torstein, Maria, Eva, Crisa, Mart´ın, Joan y tod@s los dem´as (as´ıno me dejar´ea nadie y no llenar´e8 p´aginas...), con un saludo especial para Carles y Feliu. He de agradecer a mi cocina el regalarme una hora diaria (y alguna extra los fines de semana) de buen humor, conversaciones y sobre todo desconexi´on: ¡muchas gracias, chic@s! Thanks also to Ville, Sergio, Jenni, Riita-Liisa, Vesa, Kaisa, Olga and Lauri; for making me feel as in my own (cold) home at Jyv¨askyl¨aand Helsinki. Gracias tambi´en al resto de gente del ICIQ, de la URV, de Tarragona-city y de la UAM (¡con vosotros empez´otodo esto!) que no formaba parte de ninguno de los subconjuntos anteriores, pero, especial- UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN:978-84-694-1247-3/T-317-2011 viii mente, a mis incre´ıbles compa˜neros de los cursos de doctorado y del mas- ter: ¡c´omo nos lo pasamos! Muchas gracias tambi´en a toda la gente que rodea “mi otra vida”. Especialmente a Mar´ıa, Ricardo, Chus y tod@s (nunca olvidados, os lo prometo) los dem´as: Luis, Willy, Kaka, Nuria, Sergio, el Kalvo, Marcos, Robles, Zahara, Berta, Bel´en, Dani, Yolanda, Ana, Alla, Nacho, Desi, la gente del GRM... y muchos, muchos otros. Tengo mucho que agradecer a mi familia: mis padres (¡todav´ıa me acuerdo de lo de la gasolinera!), mi hermana, Nena y Diana; y por ´ultimo, a Laura. Espero que el dejarla en ´ultimo lugar represente de alguna manera todas las cosas que le tengo que agradecer y que no creo que se pudieran expresar en papel (ni en formato electr´onico). UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN:978-84-694-1247-3/T-317-2011 Nada habr´ıa podido suceder si alguien no lo hubiera imaginado primero, Reinhold Messner UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN:978-84-694-1247-3/T-317-2011 UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN:978-84-694-1247-3/T-317-2011 Contents I Introduction 1 1 Introduction 3 1.1 Catalysis ............................ 3 1.1.1 Heterogeneous catalysis . 4 1.2 Ostwald process: HNO3 production.............. 5 1.2.1 HNO3:propertiesanduses . 5 1.2.2 Production ....................... 6 1.3 Degussa and Andrussow processes: HCN production . 9 1.3.1 HCN:propertiesanduses . 9 1.3.2 Production ....................... 10 1.4 MacArthur-Forrest process: gold ore extraction . 13 1.4.1 Gold: properties and uses . 13 1.4.2 Extraction........................ 14 1.5 Thesisoutline.......................... 16 2 Theoretical background 17 2.1 Introduction........................... 17 2.2 Density Functional Theory . 18 2.3 Formalism............................ 18 2.4 Approximations......................... 21 2.5 Implementation......................... 22 2.5.1 Pseudopotentials . 22 2.5.2 Plane waves as basis sets . 24 2.5.3 Realspacemethods . 24 2.5.4 k-points ......................... 26 2.5.5 Electronic minimization . 27 xi UNIVERSITAT ROVIRA I VIRGILI FIRST-PRINCIPLES MECHANISTIC STUDIES OF AMMONIA-RELATED INDUSTRIAL PROCESSES Jaime Gómez Díaz ISBN:978-84-694-1247-3/T-317-2011 xii CONTENTS 2.6 Ionicrelaxation......................... 27 2.6.1 Supercells........................ 29 2.7 Baderanalysis ......................... 30 2.8 Electron Localization Function . 30 2.9 Transition state searching . 32 2.9.1 RegularNEBmethod . 33 2.9.2 Climbing Image NEB method . 34 2.10 Ab-Initio thermodynamics. .. .. .. .. .. 35 2.11 Linearrelationships. 36 2.11.1 Brønsted-Evans-Polanyi relations . 37 2.11.2 Adsorption energy with binding energy of an atom relations......................... 37 II Results 39 3 HNO3 synthesis: Results 41 3.1 Computational details . 41 3.2 A particular case: Au(111) . 42 3.2.1 Previousworks ..................... 43 3.2.2 Ammonia dehydrogenation on Au(111) . 44 3.2.3 NO and N2 formation on Au(111) . 48 3.2.4 Kineticmodeling . 50 3.2.5 Kinetic model for the Au(111) surface. 53 3.3 A more general case: Transition Metals . 56 3.3.1 Previousworks ..................... 56 3.3.2 NO and N2 formation on transition metals . 58 3.3.3 Reactivity on Me(111) flat surfaces . 59 3.3.4 Reactivity on Me(211) stepped surfaces .