Modelling electrooxidation of glycerol and methanol on close-packed transition metal surfaces
Doktorsavhandling, 2020

Burning fossil fuels leads to excess CO2 in the atmosphere, causing global warming, threatening civilisation and ecosystems worldwide. As a step in making the society fossil-independent, we need to replace oil, coal, and gas in the transportation sector with fuels originating from sustainable energy sources. Biodiesel is one such option, from which glycerol is a byproduct. With the help of electrooxidation, glycerol can be used as a feedstock to extract hydrogen gas, which may be used for upgrading biofuels or in proton exchange membrane (PEM) fuel cells. Methanol is a possible fuel in direct methanol fuel cells (DMFCs) and can, moreover, be used as a simple model for glycerol in some respects.

The primary focus of this thesis is to study the reaction thermodynamics of glycerol electrooxidation on Au(111) and other close-packed late transition metal surfaces. This provides routes and products that are thermodynamically favourable, information on steps that are difficult to overcome, and at what theoretical limiting potential the reaction becomes spontaneous. Using scaling relations for adsorption energies, these results can be generalised to alloys and other possible electrode materials. We use density functional theory to model the system, and to some extent experimental verification by cyclic voltammetry. Long range dispersion (van der Waals), which have been neglected in computations until recently, is investigated by assessing density van der Waals functionals. This is of particular importance for an inert metal such as gold. Another aspect that has commonly been ignored is solvent effects, which we study for the model system of methanol electrooxidation on Au(111). This includes an implicit model - a continuous dielectric -and an explicit model of water molecules.

methanol

DFT

biodiesel

glycerol

implicit solvation

electrochemistry

Au(111)

scaling relations

van der Waals

transition metals

gold

Nexus, Fysikgården 2B
Opponent: Prof. Manos Mavrikakis, Chemical and Biological Engineering University of Wisconsin-Madison, USA

Författare

Mikael Valter

Chalmers, Fysik, Kemisk fysik

Geometry and Electronic Properties of Glycerol Adsorbed on Bare and Transition-Metal Surface-Alloyed Au(111): A Density Functional Theory Study

Journal of Physical Chemistry C,; Vol. 120(2016)p. 1749-1757

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Electrooxidation of Glycerol on Gold in Acidic Medium: A Combined Experimental and DFT Study

Journal of Physical Chemistry C,; Vol. 122(2018)p. 10489-10494

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Valter, M., Campos dos Santos, E., Pettersson, L. G. M., Hellman, A. Partial Electrooxidation of Glycerol on Close-Packed Transition Metal Surfaces: Insights from First-Principles Calculations

Valter, M., Campos dos Santos, E., Pettersson, L. G. M., Hellman, A. Selectivity of the First Two Glycerol Dehydrogenation Steps Determined Using Scaling Relationships

Valter, M., Hellman, A. Solvent Effects for Methanol Electrooxidation on Gold

Användandet av fossila bränslen leder till ökad koldioxidhalt i atmosfären och orsakar klimatförändringar som hotar samhällen och natur. För att stoppa detta måste olja, kol och naturgas ersättas av bränslen från hållbara källor. Ett sådant alternativt bränsle för användning i transportsektorn är biodiesel, ett odlat bränsle tillverkat från växtfetter. Vid framställningen av biodiesel får man glycerol som biprodukt. Glycerol är en trögflytande, ofarlig vätska som används i exempelvis salvor för att inte torka ut huden. Ökad global biodieselframställning leder till att betydligt mer glycerol framställs än vad det finns användning för. Istället för att betrakta överskottet som avfall, vore det bättre att dra nytta av det. I det här arbetet undersöker vi elektrooxidation för att utvinna vätgas och andra värdefulla produkter från glycerol. Vätgas kan användas som bränsle i bränsleceller, eller för att uppgradera biobränslen. På så sätt kan biobränslen bli mer miljövänliga.

Vi fokuserar i detta arbete på den mikroskopiska processen på elektrodens yta, där glycerol fastnar och omvandlas med hjälp av elektrisk spänning. Det är viktigt att förstå hur hårt möjliga mellansteg och produkter binder till ytan, eftersom det avgör vilken väg reaktionen kommer att gå. Ett bra elektrodmaterial styr reaktionen mot de önskvärda produkterna. Syftet med detta arbete är att bygga modeller för att söka efter sådana material.

Vågfunktionsberäkningar relevanta för hetrogen katalys med hjälp av inbäddningspotentialer

Vetenskapsrådet (VR), 2016-01-01 -- 2019-12-31.

Säker vattenkvalitet genom användandet av självrenande membran

Formas, 2015-01-01 -- 2017-12-31.

Styrkeområden

Transport

Energi

Materialvetenskap

Ämneskategorier

Fysikalisk kemi

Atom- och molekylfysik och optik

Teoretisk kemi

Den kondenserade materiens fysik

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Infrastruktur

C3SE (Chalmers Centre for Computational Science and Engineering)

ISBN

978-91-7905-320-8

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4787

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

Nexus, Fysikgården 2B

Online

Opponent: Prof. Manos Mavrikakis, Chemical and Biological Engineering University of Wisconsin-Madison, USA

Mer information

Senast uppdaterat

2020-05-29