Consistent-exchange van der Waals density functional studies of bonding, morphology changes, and optical response in molecular energy systems
Research Project, 2015
– 2018
Utveckling av förnybar energi motiverar nu ett stort fokus på energiomvandling i organiska molekyler och intelligente val av substrat för dessa processer. En spännande möjlighet är att använda halvledande strukturer med mycket hög porositet, ett system med kanaler som både kan lagra kemisk bränsle (t.ex. väte) och kan tillåta effektiv energiomvandling på plats (t.ex. elektricitet genom vattenproduktion), direkt på de mycket stora ytor som finns i det inre av dessa strömbärande substrat. Min forskargrupp är engagerad i studier av ljusdriven energilagring i molekylstrukturen (skapande av metastabile atomkonfigurationer) och av molekylär absorption i såkallade kovalente organiska nätverk (på engelska förkortad COF) och andra liknande halvledande substrat. Vi jobbar teoretisk (i samarbete med Berkeley Labs och andra grupper) med att förtolka experiment i U.S.A. och på Chalmers och med att förutsäga egenskaper i dessa system. De nya COF strukturerna kan jämföras med mega-grafit: varje skikt har bikupa-struktur och stacken av skikt hålls ihop av (överraskande starka) van der Waals krafter. Cykliska, platta organiska molekyler knyts ihop via små vertex fragment (t.ex. bor-nitrid) i varje lager och van der Waals krafterna hjälper till med att organisera hela strukturen med långa kanaler och stora ytor med svag växelverkan. Den organiseringen gör det möjligt att bränsle (H2) och förorening (CO2) lätt kan lagras och tömmas. Det är även intressant att man också kan absorbera större organiska molekyler i dessa COF kanaler och på det sättet förbättra absorptionen av solljus. Man kan i princip tänka sig att på så sätt driva en elektricitetsproduktion i motsatt riktning: att använda solen till att tanka upp med bränsle (när vatten omvandlas tillbaka till väte på plats). En intensiv utveckling, fram för allt i U.S.A., har gjort det klart att van der Waals krafterna spelar en central roll i molekyl-baserad energiteknik. van der Waals krafter bestämmer i hög grad hur bränsle lagras, hur förorening kan filtreras, och detaljerna i hur organiska molekyler i substrat absorberar solljus. Det är också klart att en systematisk utveckling kräver erfarenhet med och utveckling av nya precisa beräkningsverktyg, t.ex. med bestämmelser av den molekylära strukturen baserad på vår van der Waals täthetsfunktional (vdW-DF) metod. Detta för att kunna optimera omvandling av solljus till kemisk energi i molekyler och inom nya substrat med hög porositet. Nyckeln till framgång finns i att fördjupa kunskapen om samspelet mellan krafter, struktur, och elektroniska egenskaper och sedan bygga in den insikten i beskrivningen av den optiska absorption av molekyler. Det finns avancerade metoder för studier av optisk absorption (t.ex. de program som vår Berkeley samarbetspartner använder) men det krävs också att vi nu läggar till förutsägelser av hur en van der Waals bindning av molekyler och substrat kommer att påverka den omvandling av solljus som man vill optimera. Just systematiska och konsistenta beräkningar av van der Waals växelverkan och deras påverkan av den atomära strukturen är ett område där min forskargrupp står mycket starkt och där det nu finns spännande möjligheter för ny karakterisering av den molekylära ljus-absorption. Vårt arbete hjälps fram av stort internationellt intresse. Vi är centrala i den utvecklingen som har möjliggjort konsistenta beskrivningar av van der Waals kraftarna inom standardverktyget täthetsfunktionalteori, för studier av material och deras beteende. Vi har kunnat beräkna de molekylära relaxationer med vår vdW-DF metod sedan 2007 och framför allt under de senaste åren har utvecklingen varit oerhört spännande. Vi har idag konkurrens, och alternativa formuleringar används ibland för en första sortering av energilagrings-möjligheter, men det är vårt vdW-DF program som i U.S.A efterfrågas för de mest noggranne studier av molekylär energilagring. Senast har vi lagt till en systematisk analys och skapat en ny förbättrad version, kallad vdW-DF-cx, som imponerar med att vara robust. Den nya versionen ger oss fördelar både när det gäller molekylsystem och beräkningar för att optimera val av bra substrat (så som COFs). Vi deltar redan i den vidare utvecklingen av nya molekylära energisystem genom transatlantiska samarbeten. Vi söker om VR medel för att även kunna skapa mer av denna utvecklingen i Sverige.
Participants
Per Hyldgaard (contact)
Chalmers, Microtechnology and Nanoscience (MC2), Electronics Material and Systems
Funding
Swedish Research Council (VR)
Project ID: 2014-4310
Funding Chalmers participation during 2015–2018
Related Areas of Advance and Infrastructure
Sustainable development
Driving Forces
Nanoscience and Nanotechnology
Areas of Advance
Energy
Areas of Advance
Basic sciences
Roots
C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)
Infrastructure
Materials Science
Areas of Advance