Logowanie do System sprawozdań KDM

Teoretyczne badania aktywności katalizatorów heterogenicznych w reakcjach redukcji dwutlenku węgla

Kierownik projektu: Bartłomiej Szyja

Politechnika Wrocławska

Wydział Chemiczny

Zakład Chemii i Technologii Paliw

Wrocław

Streszczenie projektu

Niedawna praca autorstwa Tsang et al. [1] dotyczy zagadnienia niezwykle istotnego z punktu widzenia katalizy heterogenicznej i ochrony środowiska - syntezy metanolu z CO2 i jej wykonalności ekonomicznej. W pracy tej wykorzystano materiały katalityczne w postaci fizycznej mieszaniny miedzi i nanocząstek ZnO i wykazano wyraźną selektywność katalizatorów Cu / ZnO w kierunku metanolu. Fujita et al. [2] zasugerowali, że reakcja przebiega poprzez wytworzenie mrówczanu (HCOO-), które może zajść zarówno na Cu jak i na fazie ZnO, a dalsze uwodnornienie do metanolanu może zajść na fazie ZnO. W kolejnym etapie metanolan ulega hydrolizie do metanolu w udziałem rozpuszczalnika. Uwodornienie mrówczanu i dysocjacja wiązania C-O jest uważana za krok limitujący wydajność całego procesu, gdzie poprawienie aktywności katalitycznej jest najbardziej efektywne.

Badania te sugerują że w tym etapie zarówno ZnO jak i Cu wykazują aktywność katalityczną, a zatem są kluczowymi składnikami katalizatora. Szczegóły tejże aktywności nie są jednak dokładnie poznane, ponieważ nie jest znany dokładny mechanizm reakcji. Wiadomo, że produkty uboczne (CO i H2O) wpływają niekorzystnie na wydajność, przez co są reakcjami niepożądanymi. Dokładna rola ZnO również nie jest dokładnie poznana - oprócz poprawiania dyspersji nanocząstek Cu i stabilizowania ich na powierzchni ZnO - sugeruje się również efekt kooperatywny obu faz.

Niniejszy projekt ma na celu identyfikację stabilnych termodynamicznie produktów pośrednich reakcji uwodornienia CO2 do metanolu katalizowanej przez Cu/ZnO. Wykorzystany w tym celu będzie model obliczeniowy zaproponowany przez grupę Catlowa [3]. Do określenia energii układu wykorzystana będzie metoda DFT. Mimo że układ przeznaczony do badań jest stosunkowo niewielki, posiada wiele minimów lokalnych na powierzchni energii potencjalnej. W związku z tym, seria optymalizacji geometrii nie pozwoli uzyskać właściwych ścieżek reakcji i konieczne jest użycie bardziej zaawansowanej metody dynamiki molekularnej (MD). Ścieżka reakcji i struktury stanów przejściowych zostaną określone z wykorzystaniem metody umbrella sampling, jednakże konieczne do tego jest wygenerowanie wielu trajektorii MD z uwzględnieniem wielu możliwych konformacji reagentów i centrum aktywnewgo katalizatora. Do wykonania obliczeń wykorzystane zostanie oprogramowanie CP2K posiadające niezbędną funkcjonalność.



[1] F. Liao, Y. Huang, J. Ge, W. Zheng, K. Tedsree, P. Collier, X. Hong, S.C. Tsang, Morphology-Dependent Interactions of ZnO with Cu Nanoparticles at the Materials' Interface in Selective Hydrogenation of CO2 to CH3OH, Angew. Chem. Int. Ed. 50 (2011) 2162-2165.

[2] S. Fujita, M. Usui, H. Ito, N. Takezawa, Mechanisms of Methanol Synthesis from Carbon Dioxide and from Carbon Monoxide at Atmospheric Pressure over Cu/ZnO, Journal of Catalysis, 157 (1995) 403-413.

[3] S.A. French, A.A. Sokol, C.R.A. Catlow, P. Sherwood, The Growth of Copper Clusters over ZnO: the Competition between Planar and Polyhedral Clusters, J. Phys. Chem. C 112 (2008) 7420-7430.

Publikacje

  1. Daniel Smykowski, Projektowanie katalizatora do redukcji CO 2 w kierunku paliw węglowodorowych: modelowanie molekularne, Rozprawa doktorska 1, (2015) 1
  2. Dr. Bartłomiej M. Szyja, Dr. Daniel Smykowski, Dr. Jerzy Szczygieł, Prof. Emiel J. M. Hensen, Dr. Evgeny A. Pidko, A DFT Study of CO2 Hydrogenation on Faujasite-Supported Ir4 Clusters: on the Role of Water for Selectivity Control, ChemCatChem 8, (2016) 2500-2508
  3. B.M. Szyja, Molecular simulations of the structure direction effects in zeolite synthesis, Ogólnopolskie Kolokwium Katalityczne -, (2016) -
  4. K. Buzar, B.M. Szyja, J. Trawczyński, Theoretical studies of hydrogenation activity of porphyrin based catalysts in CO2 reduction, Ogólnopolskie Kolokwium Katalityczne -, (2016) -
  5. Kinga Szkaradek, Activity of ruthenium and iron metalloporphytrins in electrocatalytic hydrogenation of CO2 to formic acid., CMD26 -, (2016) -

Centrum Informatyczne Trójmiejskiej Akademickiej Sieci Komputerowej
ul. G. Narutowicza 11/12, 80-233 Gdańsk   |   tel. 58-347-24-11
email: office@task.gda.pl   |   NIP: 584-020-35-93