Atomic scale simulations of the interactions of plasma species on nickel catalyst surfaces

Datum: 15 september 2015

Locatie: UAntwerpen - Campus Drie Eiken - Gebouw R - aula R.1 - Universiteitsplein 1 - 2610 Antwerpen-Wilrijk

Tijdstip: 14.15 uur

Organisatie / co-organisatie: Departement Chemie

Promovendus: Wesley Somers

Promotor: Annemie Bogaerts & Erik Neyts

Korte beschrijving: Doctoraatsverdediging Wesley Somers - Faculteit Wetenschappen, Departement Chemie



Abstract

De toegenomen concentratie van broeikasgassen in vergelijking met pre-industriële waarden heeft geleid tot het versterkt broeikaseffect, en als gevolg hiervan, opwarming van de aarde. Een mogelijk actie om de klimaatverandering tegen te gaan is het verhogen van de energie-efficiënte van industriële processen. Dit is bijzonder interessant voor methaan reforming processen, aangezien CH4 (en CO2 voor de ‘dry reforming’) omgezet wordt in syngas, een mengsel van H2 en CO. Dergelijke processen hebben echter een hoge energiekost, door de vereiste hoge temperaturen.

Een veelbelovend alternatief voor de conventionele procedures is het gebruik van plasmakatalyse. Dit is een combinatie van plasmatechnologie en katalyse. Deze technologie is echter zeer complex, en er is weinig fundamenteel inzicht in de interactiemechanismes tussen het plasma en de katalysator.

Daarom zijn tijdens dit doctoraatsonderzoek reactieve moleculaire dynamica (MD) simulaties uitgevoerd om de interacties van plasmadeeltjes op verschillende nikkel katalysatoroppervlakken te bestuderen. De bestudeerde plasmadeeltjes zijn CHx radicalen (x={1,2,3}) en vibrationeel geëxciteerd CH4. Deze deeltjes vallen in op 6 verschillende nikkel katalysatoroppervlakken om de invloed van de kristalliniteit op de reactiviteit te bestuderen.

Bij een temperatuur van 400 K zijn er, afhankelijk van het nikkel oppervlak, verschillende mechanismes waargenomen. De reactiviteit van invallende CH2 en CH radicalen is hoog, in tegenstelling tot de H2 vorming, die beperkt is bij deze temperatuur. Een studie in het temperatuurbereik van 400 K – 1600 K toonde aan dat hoge H2 rendementen bekomen worden bij temperaturen hoger dan 1400 K. Bij dergelijk hoge temperaturen wordt de kristalliniteit van het oppervlak verminderd door de constante C-diffusie in het oppervlak. Daardoor lijkt de rol van de oppervlaktestructuur op de reactiviteit beperkt te worden.

Vervolgens is er een methode ontwikkeld om de vibrationele bewegingen van CH4 toe te voegen aan de MD simulaties. Eerst worden de normaalcoördinaten van de vibrationele modes berekend. Daarna worden deze gekoppeld aan de vibrationele snelheden, rekening houdend met de mode-specifieke vibrationele energie. Ten slotte wordt de reactiviteit van vibrationeel geëxciteerd CH4 onderzocht. Ondanks de juiste vibrationele bewegingen komt de reactiviteit echter niet overeen met waardes uit de literatuur. Zelfs na het aanbrengen van verscheidene correcties zijn de MD simulaties niet in staat om de reactiviteit van alle vibrationele modes correct te beschrijven.