En teoretisk studie av reaktivitet samt dynamik på ytor
Research Project , 2014 – 2016

Heterogen katalys är en väsentlig del av vårt samhälle då nästintill all industriell produktion i världen är beroende av olika katalytiska tekniker. Detta inkluderar produktion av mat, kläder, medicin, olika kemikalier, bränslen etc. Katalysatorer används också för avgasrening samt lagring av energi i form av bränsleceller och batterier. För att kunna möta den snabbt ökande globala levnadsstandarden på ett långsiktigt och hållbart sätt kommer katalysatorer att spela en avgörande roll. Det hållbara samhället är dock starkt kopplat till möjligheten att kunna utveckla och producera nya, billiga katalysatorer för bland annat alla ovan nämnda ändamål. Faktum är att många av de existerande energilösningarna till stor del begränsas av bristen på effektiva katalysatorer som kan tillverkas i stor skala på en ekonomisk gångbart sätt. Hittills har utvecklingen av nya katalysatorer nästan uteslutande fortgått genom prova-och-se metoder där bristen på fundamental kunskap och förståelse har varit den begränsande faktorn. De senaste årtiondena har dock framgångarna inom yt-kemi och fysik, parallellt med en ökande teoretiska förståelsen för katalytiska fenomen på atomär skala, möjliggjort visionen av riktad materialdesign. Emellertid behövs mycket mer grundläggande forskning för att verkligen nå denna vision. Detta projekt syftar till att öka den fundamentala förståelsen för katalytiska material och reaktioner på en atomär skala. Genom att tillämpa och utveckla avancerade teoretiska verktyg, baserade på kvantmekaniska elektronstrukturberäkningar, är det övergripande målet att kunna formulera generella modeller som skall användas för att designa nya, billiga katalysatorer med önskade katalytiska egenskaper. I definitionen skall en bra katalysator effektivt kunna bryta kemiska bindningar och lagra energin i form av nya bindningar, kunna omvandla energi från och till ett kemiskt tillstånd, men också från ett tillstånd till ett annat. I detta arbete spelar kvantmekaniken en central roll då den beskriver växelverkan mellan elektroner och följaktligen ligger som utgångspunkt för den atomistiska förståelsen av olika bindningar. I projektet kommer kvantmekaniska beräkningar huvudsakligen att baseras på täthetsfunktionalteori (DFT) vars grundare belönades med Nobelpriset i kemi 1998. Genom DFT kan man undersöka elektronstrukturen samt beräkna de mikroskopiska egenskaperna för reaktionen och dess intermedianer. Detta inkluderar bland annat adsorptionsenergier och aktiveringsbarriärer. Men katalysatorns effektivitet definieras ofta av makroskopiska observabler så som reaktivitet och selektivitet. Länken mellan de mikroskopiska och de makroskopiska egenskaperna utgörs av reaktions-kinetiken. Emellertid är en fullständig studie av reaktions-kinetiken, om så bara för en enkel reaktion på en specifik katalysatoryta en mödosam och enormt tidskrävande process. I målet att designa katalysatorer baserat på DFT beräkningar vill man ultimat kunna testa tusentals möjliga katalysatorer för att hitta den billigaste katalysatorn som också innehar den högsta reaktiviteten och selektiviteten. Till det behövs noggranna men enklare modeller för att snabbt kunna testa katalysatorers reaktivitet. En gemensam nämnare för alla katalysatorer och katalytiska reaktioner är förekomsten av en elektronstruktur. Sålunda är det fullt tänkbart att kunna härleda enkla modeller och relationer för reaktivitet och selektivitet via elektronstrukturen. Faktum är att sådana modeller, även kallade skalningsrelationer, redan har utvecklats med hjälp av DFT beräkningar och experimentell data, men dess giltighet är begränsat till enklare katalysatorer och vissa katalytiska system. Målsättningen med detta projekt är avancera den fundamentala förståelsen av katalys genom att studera elektronstrukturen hos komplexa multikompetent system, innehållande dopatomer och defekter, samt system med olika täckningar och med förekomsten av olika typer av adsorbat under de katalytiska förhållandena. Alla dessa komplexiteter är normalt förekommande under katalytiska reaktioner och deras inverkat på reaktivitet och selektivitet är väl dokumenterad i den teoretiska och experimentella litteraturen. Genom att förstå och länka denna kunskap till katalytisk reaktivitet men också dynamik, genom DFT molekylärdynamik beräkningar, skall informationen användas för att utveckla generella modeller för reaktivitet som även kan beskriva kinetiken och termodynamiken hos katalytiska system med ökad komplexitet.

Participants

Henrik Grönbeck (contact)

Professor vid Chalmers, Physics, Chemical Physics

Simon Klacar

Doktor vid Chalmers, Physics, Chemical Physics

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding Chalmers participation during 2014–2016

Related Areas of Advance and Infrastructure

Sustainable development

Driving Forces

More information

Latest update

2019-03-28