Töltések és a dópoló atomok szerepe a rézklasztereken történő CO2 redukcióra
Szalay Máté – Töltések és a dópoló atomok szerepe a rézklasztereken történő CO2 redukcióra
Témavezető: dr. Höltzl Tibor
A közelmúltban a megszámlálható számú fématomból felépülő ún. fémklaszterek a nanotudomány egyik legérdekesebb és legígéretesebb anyagaivá váltak, mert fizikai és kémiai tulajdonságaik jelentősen eltérnek az azonos atomokból álló tömbi anyagokétól. Az atomok kis száma miatt a fémklaszterek diszkrét energiaszintekkel rendelkeznek, így tulajdonságaik erősen méret-, töltés- és összetételfüggők, hiszen ezek kis mértékű változtatása is jelentősen befolyásolja az elektronszerkezetüket. Kémiai tulajdonságuk könnyű hangolhatósága miatt igen ígéretes katalizátorok lehetnek, melyek nemcsak számos, az iparban jelenleg is alkalmazott reakciót tehetnek hatékonyabbá, de akár a gazdaságos szén-dioxid redukció megvalósításához is hozzájárulhatnak. Egy közelmúltban megjelent publikáció szerint a rézklaszterek jól katalizálják a szén-dioxid termikus hidrogénezését [1], azonban az azóta folyó intenzív kutatások ellenére a reakció részletes mechanizmusa nem ismert.
Korábbi munkám során felderítettem a CO2 gázfázisú Cu4 klaszter által termikusan katalizált hidrogénezés reakciómechanizmusát és arra a következtetésre jutottam, hogy önmagában ez a klaszter nem eléggé hatékony katalizátor [2]. Azonban a néhány atomból álló klaszterek esetében egy atom kicserélésével (ún. dópolással), illetve töltésének megváltoztatásával, a rendszer elektronszerkezete erősen megváltozik, így megfelelő dópoló atom és töltés megválasztásával a katalitikus hatás is javítható. Ezért különböző átmeneti fémekkel dópolt [3], illetve különböző töltésű [4,5] rézklaszter alapú rendszereken végbemenő CO2 redukciós reakcióját tanulmányoztam sűrűség funkcionál elméleten alapuló számításokkal, továbbá a töltés vizsgálatakor a lehetséges intermedierek IR spektrumát is összevetettem dr. Joost Bakker (Radboudi Egyetem) kutatócsoportjával való együttműködésből származó kísérleti eredményekkel is. A számításokból megállapítható, hogy az egyes elektronszerkezeti módosítások hogyan és miért gátolják, vagy segítik elő a CO2 redukcióját.
Az elektronszerkezet és a katalitikus hatás összefüggésének megértésével további információkat szerezhetünk, annak érdekében, hogy egy aktív és gazdaságos katalizátort tervezhessünk.
Hivatkozások:
1. C. Liu, B. Yang, E. Tyo, S. Seifert, J. DeBartolo, B. von Issendorf, P. Zapol, S. Vajda, L. A. Curtiss JACS. 2015, 137, 27, 8676–8679
2. M. Szalay, Szén-dioxid redukció reakciómechanizmusának felderítése Cu4 klaszteren, BME-VBK TDK, Analitikai és Fizikai Kémia szekció, 2019
3. M. Szalay, D. Buzsáki, J. Barabás, E. Faragó, E. Janssens, L. Nyulászi, & T. Höltzl, Screening of transition metal doped copper clusters for CO2 activation. Physical Chemistry Chemical Physics, 2021, 23(38), 21738-21747.
4. O. V. Lushchikova, M. Szalay, H. Tahmasbi, L. B. Juurlink, J. Meyer, T. Höltzl, & J. M. Bakker, IR spectroscopic characterization of the co-adsorption of CO2 and H2 onto cationic Cun+ clusters. Physical Chemistry Chemical Physics, 2021, 23(47), 26661-26673.
5. O. V. Lushchikova, M. Szalay, T. Höltzl, & J. M. Bakker, Tuning the degree of CO2 activation by carbon doping Cun- (n=3-10) clusters: an IR spectroscopic study, Faraday Discussions, 2022.
szerző
-
Szalay Máté
Gyógyszervegyész-mérnöki mesterképzési szak, nappali MSc
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Dr. Höltzl Tibor
fejlesztőmmérnök, FETI KFT (külső)