Utylizacja dwutlenku węgla jest zagadnieniem niezwykle istotnym z punktu widzenia zarówno energetyki, która stanowi główne źródło emisji CO2, a jednocześnie wyzwaniem dla technologii chemicznej, która poszukuje efektywnych i opłacalnych metod utylizacji dwutlenku węgla. Jednym z proponowanych rozwiązań jest redukcja CO2 do produktów nadających się do roli paliw lub innych nośników energii. Ze względu na niską reaktywność cząsteczki dwutlenku węgla, realizacja tego procesu wymaga zastosowania wysoce aktywnego katalizatora.

Modelowanie molekularne z wykorzystaniem metod kwantowo-mechanicznych stanowi narzędzie umożliwiające obserwację i przewidywanie zjawisk zachodzących na katalizatorze w skali molekularnej (w szczególności reakcji chemicznych), które z kolei decydują o makroskopowych właściwościach katalizatora. W rezultacie możliwe jest wskazanie lub zaprojektowanie materiału, na którym katalityczna redukcja CO2 zachodzi najbardziej efektywnie i prowadzi do otrzymywania pożądanych produktów.

Niniejszy projekt skupiony jest na modelowaniu zjawisk fizykochemicznych na heterogenicznych katalizatorach do redukcji dwutlenku węgla. Opublikowana w ostatnim czasie praca autorstwa Szyja et al. [1] przedstawia proponowane mechanizmy redukcji dwutlenku węgla na katalizatorze zeolitowym (fojazyt) z klasterami irydu. Symulacje przedstawione w artykule wykazały, że klaster irydu jest odpowiedzialny za aktywację CO2 oraz zgłaszane już wcześniej przez Roscha i Gatesa [2,3,4,5] zjawisko hydrogen-spillover. Redukcja dwutlenku węgla może zachodzić poprzez karboksyl lub mrówczan prowadząc do powstawania tlenku węgla lub kwasu mrówkowego. Ponadto, autorzy wykazali kluczową rolę wody w tym procesie, która otwiera dodatkowe mechanizmy reakcji zachodzące z udziałem centrów kwasowych zeolitu.

Jednym z istotniejszych etapów projektu jest przeprowadzenie symulacji dynamiki molekularnej przedstawionego układu Ir4-fojazyt celem zbadania stabilności klastera Ir4 w środowisku wodnym, a także zachowania się w czasie (symulacje dynamiczne) katalizatora z reagentami (CO2, H2) w środowisku wodnym. O ile z poprzednich symulacji wynika, że woda odgrywa kluczową rolę w aktywności katalitycznej, o tyle wszystkie efekty oddziaływania reagentów oraz katalizatora Ir4-FAU z wodą nie zostały w pełni zbadane.

Ze względu na wielkość oraz złożoność układu na powierzchni energii potencjalnej istnieje znacząca liczba minimów, których identyfikacja przy użyciu wyłącznie optymalizacji nie jest możliwa, stąd konieczność zastosowania metody dynamiki molekularnej (MD). W obliczeniach zostanie użyta metoda DFT (plane waves) zaimplementowana w open-source'owym oprogramowaniu Quantum Espresso. Wszystkie modele przewidzane do badań będą modelami periodycznymi odpowiadającymi komórce elementarnej Ir4-FAU.



Obliczenia metodą DFT, w szczególności dynamiki molekularnej w układzie periodycznym ze względu na wymagania zasobów obliczeniowych są możliwe do realizacji jedynie na komputerach dużej mocy.



Do obliczeń użyte zostanie głównie oprogramowanie Quantum Espresso, które jest udostępnione na licencji open-source i wymaga standardowych bibliotek (BLAS, LAPACK, SCALAPACK, FFTW3). Obliczenia są zrównoleglone hybrydowo (MPI + OpenMP).



References

1. Szyja, B. M., Smykowski, D., Szczygieł, J., Hensen, E. J. M. and Pidko, E. A. (2016), A DFT Study of CO2 Hydrogenation on Faujasite-Supported Ir4 Clusters: on the Role of Water for Selectivity Control. ChemCatChem. doi: 10.1002/cctc.201600644



2. E. A. Ivanova Shor, V. A. Nasluzov, A. M. Shor, G. Vayssilov, N. Rosch, Journal of Physical Chemistry C 111 (2007) 12340?12351



3. G. P. Petrova, G. Vayssilov, N. Rosch, Chemical Physics Letters 444 (2007) 215?219



4. G. P. Petrova, G. N. Vayssilov, Rosch, Journal of Physical Chemistry C 111 (2007) 14484?14492



5. B.C. Gates, Chemical Reviews 95(3) (1995) 511?522