Kinetics and charge transfer in nanocatalysis
Doktorsavhandling, 2026

Heterogeneous catalysis is crucial in a range of environmental and industrial technologies, ranging from emission control and the utilization of greenhouse gases to the production of fuels and chemicals. Understanding and optimizing the catalytic performance is challenging, as industrial catalysts are generally ill-defined mixtures of metal and oxide phases. Moreover, the structures and chemical properties respond sensitively to the reaction environments.

Atomic scale understanding of catalytic reactions under relevant reaction conditions is beneficial to aid the discovery of catalyst materials. In this thesis, quantum mechanical calculations are combined with kinetic simulations to elucidate the synergy between different catalyst constituents and the effects of reaction environment on catalytic reactions. To investigate the metal/metal interplay and the influence of an aqueous reaction environment, the direct formation of H2O2 from H2 and O2 over water-solvated PdAu single-atom alloy nanoparticles is explored. The interplay between metal and oxide phases is studied in connection with CO2 hydrogenation to methanol. The dynamic behavior of nanoparticles is probed using kinetic Monte Carlo simulations in inert and reactive atmospheres.

The formation of H2O2 relies on the facile desorption of protons from the surface to the water solution, leaving the electrons in the metal surface. Ab initio molecular dynamics simulations reveal that the metal/water interface affects the adsorption properties of H2 and O2 also on other metal surfaces. Similar synergetic effects occur between metal nanoparticles and oxide supports, where the adsorption of H2 on oxides is stabilized close to metal nanoparticles, owing to an oxide-to-metal charge transfer. The metal/oxide synergy results in novel catalytic properties under reaction conditions, which is found to have important implications for the reaction intermediates in the case of CO2 hydrogenation to methanol over Cu/ZnO catalysts.

The work highlights the interplay between the different phases in nano-sized catalyst materials. The synergy results in modified catalyst properties and new catalytic pathways under reaction conditions. Understanding of these processes at the atomic scale could potentially be used to optimize new materials in heterogeneous catalysis.

charge transfer

metal/oxide synergy

density functional theory

kinetic Monte Carlo

metal/water interface

kinetics

heterogeneous catalysis

PJ-salen, Origohuset, Fysik, Chalmers
Opponent: Prof. Michail Stamatakis, University of Oxford, United Kingdom

Författare

Rasmus Svensson

Chalmers, Fysik, Kemisk fysik

Site Communication in Direct Formation of H<inf>2</inf>O<inf>2</inf> over Single-Atom Pd@Au Nanoparticles

Journal of the American Chemical Society,;Vol. 145(2023)p. 11579-11588

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Spontaneous Charge Separation at the Metal-Water Interface

ChemPhysChem,;Vol. 25(2024)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Dynamics of Dilute Nanoalloy Catalysts

Journal of Physical Chemistry Letters,;Vol. 15(2024)p. 7885-7891

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Jonas A. Boysen, Rasmus Svensson, Niels. D. Nielsen, Mads Lützen, Lin Bigom-Eriksen, Andrey Shavorskiy, Thomas E. Andersen, Jacob L. Fischer, Jean-Claude Grivel, Christian D. Damsgaard, Anker D. Jensen, Henrik Grönbeck, and Jakob M. Christensen, Charge transfer across the metal/oxide interface determines the rate of CO2 hydrogenation to methanol over Cu/ZnO catalysts

Rasmus Svensson and Henrik Grönbeck, Modified sites by hydrogen adsorption in metal/oxide catalysts

Rasmus Svensson and Henrik Grönbeck, Oxide to metal charge transfer facilitates oxygen vacancy formation in metal/oxide systems

Katalysatorer används inom flera områden, bland annat inom produktion av gröna bränslen och vid framställning av kemikalier. Katalysatorerna accelererar den kemiska reaktionen och styr vilka bindningar som bryts och formas. I heterogen katalys används en solid katalysator för att få molekyler i gas- och vätskefas att reagera. Katalysatorn är ofta uppbyggd genom nanopartiklar av olika metaller som placeras på en porös oxid-yta.

För att förbättra och förstå hur katalysatorer fungerar är det viktigt att undersöka vilka atomära processer som sker, och hur nanopartiklarna, oxiden och omgivningen interagerar med varandra. Genom att använda kvantmekaniska beräkningar, statistisk termodynamik och stokastiska simuleringar kan dessa processer studeras på atomnivå. Resultaten visar att synergi mellan katalysatorernas olika beståndsdelar kan bidra till en ökad acceleration för att transformera koldioxid och väte till metanol. Utöver det kan vatten bidra till att förbättra katalysatorns förmåga vid framställning av väteperoxid. Resultaten bidrar till en ökad förståelse för katalytiska processer och kan, förhoppningsvis, användas för att optimera framtidens katalysatorer.

Dynamik hos katalysatorer för vätelagring

Vetenskapsrådet (VR) (2024-05250), 2025-01-01 -- 2028-12-31.

Adaptiv beräkningskatalys över tids- och längdskalor

Vetenskapsrådet (VR) (2020-05191), 2021-01-01 -- 2024-12-31.

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Ämneskategorier (SSIF 2025)

Den kondenserade materiens fysik

Katalytiska processer

Fysikalisk kemi

Fundament

Grundläggande vetenskaper

Infrastruktur

Chalmers e-Commons (inkl. C3SE, 2020-)

DOI

10.63959/chalmers.dt/5840

ISBN

978-91-8103-383-0

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5840

Utgivare

Chalmers

PJ-salen, Origohuset, Fysik, Chalmers

Opponent: Prof. Michail Stamatakis, University of Oxford, United Kingdom

Mer information

Senast uppdaterat

2026-03-25