Kisméretű rézklaszterek katalizálta szén-dioxid elektroredukció modellezése: a klaszterméret hatása a termékeloszlásra
Egy lehetséges megoldás az atmoszférában található CO2 növekvő mennyiségére a CO2 megkötése és értékes vegyületekké redukálása, például metánná, metanollá, etanollá, ecetsavvá stb. A kisméretű rézklaszterek az utóbbi években nagy figyelmet kaptak a CO2 redukciós reakcióban mutatott katalitikus aktivitásuk miatt. Jelenleg a klaszterméret hatását tanulmányozom a termékeloszlásra, hordozóanyagot nem tartalmazó rendszereken, számításos kémiai úton, vizes oldatban. Eddigiekben sikerült meghatároznom a pontos reakciómechanizmust Cu3, Cu4, Cu5, Cu6 és Cu12 klasztereken számos C1 és C2 termék felé. A már vizsgált C2 termékek (pl. etanol, etilén, etán, glikol stb.) mellett jelenleg az ecetsav képződésének lehetőségét is vizsgálom. A bonyolult reakciómechanizmusokban számos, klasztermérettől függő eltérés tapasztalható, pusztán a reakcióutakból nem becsülhető a termékeloszlás. A vizsgált reakciómechanizmusokból látható, hogy a Cu4 és Cu6 klaszterek esetében a metanol disszociációja a *C-O kötés hasadásának magas gátja miatt akadályozott. Itt a metanol deszorpciója a klaszterből kedvezőbb, így egyértelműen ez a fő C1 termék. Cu3-on és Cu5-ön ez a két kompetitív út nagyjából azonos valószínűséggel következik be, így metán keletkezése is várható. A nagyszámú kompetitív C2 útvonal miatt nehéz megmondani, hogy melyik a fő C2 termék. Különböző termékek képződhetnek, de ezek sorrendje klasztermérettől függően eltérő lehet. Ezért - felhasználva eddigi eredményeimet - egy mikrokinetikus modellt fejlesztek, mellyel becslést adhatok a reakció termékeloszlására. A modellt Python programozási nyelvben készítem el. A modell lényege, hogy a kvantumkémiai úton számolt, vagy irodalmi adatok alapján becsült aktiválási gátakból reakciósebességi együtthatókat számolunk, majd ezek segítségével megoldjuk a kinetikai egyenleteket, mely egy közönséges differenciálegyenlet-rendszer. Ezzel végül a koncentrációk időfüggését nyerjük. Célom, hogy a modellel a potenciál és a pH hatását is figyelembe lehessen venni, nem beszélve a diffúziólimitált reakciókról. Jövőbeli terveim közé tartozik nagyobb (több 10 atomos) klaszterek vizsgálata is, olyanoké, melyek szerkezete ismert. A végső cél a reakciómechanizmus méretfüggésének kvalitatív ismerete, és a méretfüggő termékeloszlás kvantitatív meghatározása, valamint a reaktivitást jól leíró, könnyen számítható fizikai mennyiségek - ún. deszkriptorok keresése, melyek segítségével várhatóan új támpontokat nyerünk a CO2 redukciós katalizátorok tervezéséhez.
szerző
-
Barhács Balázs Marcell
Vegyészmérnöki mesterképzési szak, nappali MSc
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Dr. Höltzl Tibor
fejlesztőmmérnök, FETI KFT (külső)