Formiaattimolekyylin dissosiaation määritys platina- ja rhodiumpinnoilla laskennallisesti

Abstract

Tutkielmassa käydään lyhyesti läpi laskennallisen kemian historiaa ja kuinka se on muodostanut suuren roolin tutkimuksissa. Lyhyt katsaus katalyysien historiaan tarjoaa lukijalle mahdollisuuden tarkastella kuinka nykypäivän teknologiaan on päästy, ja mistä kaikki alkoivat. Ilman katalyysiä ihmiskunta olisi edelleen hevosten päällä maaseudulla, joten on olennaista tietää millaisilla menetelmillä ja kuinka ihmiskunta on kehittynyt nykypäivän teknologiaan pohjautuvaan yhteiskuntaan. Historiallisen katsauksen ohella tutkielmassa perehdytään heterogeeniseen katalyysireaktioon, joista vesikaasun siirtoreaktio (WGS) on tarkastelun kohteena. WGS-reaktiota sovelletaan hyvin laajasti teollisissa proseseissa, kuten ammoniakkisynteesissä ja reformointireaktioissa.WGS-reaktion tarkkaa reaktiomekanismia ei tunneta, joten tutkielmassa esitellään kolme yleisesti hyväksyttyä mekanismia: hapetus- ja pelkistys-, karboksyyli- ja formiaattimekanismit. Näistä kolmesta mekanismista keskityttiin formiaattimekanismiin, jonka todettiin löytyvän erikoistyön ohjaajan kokeellisen kollaboraattorini Leon Lefferts tutkimuksista.

Platina- ja rodiumpinnat voivat järjestyä eri rakenteisiin, joista tutkielmassa tarkasteltiin (111)-, (110)-, (100). ja (211)-pintoja. WGS-reaktio määritettiin laskennallisesti käyttämällä tiheysfunktionaaliteoriaa, ja ASE-ympäristöä. Substraattien adsorptioiden määritysten ohella, määritettiin myös transitiometallipintojen elektroniset ominaisuudet d-vyökeskuksen energioiden avulla. Määritettyjä sitoutumisenergiat määritettiin d-vyökeskuksen energian funktiona, jonka avulla tarkasteltiin tuloksia. Etenkin Pt(211)-pinnan tapauksessa havaittiin, että energiavalli transitiotilaan oli suhteellisen korkea, mikä heijastaa siihen, että laskennassa on tapahtunut virhe. Muiden pintojen tapauksessa havaittiin, että Pt(111)-pinta omaa pienimmän energiavallin, ja täten se on tutkituista pinnoista energeettisesti edullisin WGS-reaktiota varten. Transitiometallien elektronisten ominaisuuksia tarkasteltiin, ja niiden sekä tulosten perusteella havaittiin, että rodiumpinnoille formiaatti sitoutuu energeettisesti edullisimmin, mikä oli ennustettavissa d-vyöteorian pohjalta. Formiaatin havaittiin sitoutuvan voimakkaiten (110)- ja (211)-pinnoille, joiden koordinaationumero oli pienin (seitsemän), mikä oli myös ennustettavissa d-vyöteorian pohjalta. Erikoistyö päätettiin jatkotutkimusten tarkasteluun, missä keskityttiin formiaatti- ja karboksyylimekanismien rajoittavien askelien määritykseen.