Estudio teórico de producción de H2 a través de H2S catalizado por nanopartículas de Cu y Cu-Pd

Abstract

La transición hacia fuentes de energía sostenibles y la mitigación de gases atmosféricos contaminantes representan dos de los desafíos científicos más críticos de la actualidad. En este escenario, la producción de hidrógeno molecular (H2) mediante el aprovechamiento del ácido sulfhídrico (H2S) destaca por abordar simultáneamente ambas problemáticas. El desarrollo de materiales capaces de catalizar estas reacciones de manera eficiente es fundamental para reducir costos operativos y maximizar el rendimiento. Bajo este enfoque, los cúmulos bimetálicos emergen como candidatos prometedores, dado que su actividad catalítica y propiedades electrónicas son altamente sensibles a modificaciones estructurales a nivel atómico. En este trabajo se presenta un análisis teórico de la estructura de cúmulos de cobre dopados con un átomo de paladio (Cun y PdCun-1, con n = 3 a 20). La determinación de las estructuras de mínima energía se realizó mediante un algoritmo de patrones de crecimiento, evaluando sus propiedades electrónicas, espectroscópicas y estructurales a través de cálculos fundamentados en la Teoría de Funcionales de la Densidad (DFT). Asimismo, se identificaron los sitios de adsorción preferenciales para la molécula de H2S en la superficie de cada cúmulo y se modelaron los mecanismos de reacción para la disociación y posterior producción de H2. Los resultados más relevantes indican que la adición progresiva de átomos de cobre estabiliza al átomo de paladio en posiciones apicales. Este dopaje reduce las barreras de aceptación electrónica y aumenta la nucleofilicidad del sistema en comparación con los cúmulos de cobre puro. Se demostró que la adsorción de H2S es un proceso espontáneo y exotérmico, donde el azufre exhibe una afinidad predominante por los sitios de cobre. Los mecanismos de reacción propuestos resultaron ser termodinámicamente favorables, destacando al cúmulo Cu9 como el catalizador más eficiente de la serie. Este sistema facilita una ruta de reacción multietapa que optimiza la minimización energética, consolidándose como una propuesta técnica viable para la generación de energías limpias.