Vesikaasureaktion mallintaminen laskennallisin menetelmin kupari- ja nikkelipinnoilla

Abstract

Vesikaasureaktiossa vesi ja hiilimonoksidi reagoivat muodostaen vetykaasua ja hiilidioksidia. Sitä käytetään yhdistettynä höyryreformointiin tuottamaan puhdasta vetykaasua teollisuuden tarpeisiin. Reaktio vaatii tapahtuakseen katalyyttejä, jotka ovat yleensä oksideilla tuettuja siirtymämetallinanopartikkeleita. Kehittämällä tehokkaampia katalyyttejä voidaan säästää materiaaleja ja energiaa. Uusia katalyyttejä kehittäessä on tärkeää tuntea, missä kohtaa katalyyttiä reaktio tapahtuu, mikä on reaktiomekanismi ja mikä rajoittaa reaktionopeutta. Näiden asioiden selvittämiseen voidaan hyödyntää laskennallisia menetelmiä.

Tässä kandidaatintutkielmassa käsitellään vesikaasureaktion laskennallista tutkimusta kupari- ja nikkelipinnoilla. Kupari ja nikkeli ovat edullisia materiaaleja, jotka ovat osoittaneet hyvää aktiivisuutta vesikaasureaktiossa ja reformoinnissa. Kuparipinnoilla reaktio etenee karboksyylivälivaiheen kautta ja reaktionopeutta rajoittava askel on veden hajoaminen. Nikkelipinnoilla reaktiomekanismista ei ole yksimielisyyttä, vaan sekä hiilimonoksidin suora hapetus, että karboksyylivälivaiheen kautta etenevä mekanismi ovat mahdollisia. Nikkelipinnoilla reaktionopeutta rajoittaa hiilimonoksidin hapettuminen.

Tutkimusprojektissa tutkittiin hiilimonoksidipeiton vaikutusta vesikaasureaktion välituotteiden sitoutumiseen rodium(111)-pintaan käyttäen tiheysfunktionaaliteorialaskuja. Hiilimonoksidipeiton kasvattaminen heikentää kaikkien tutkittujen molekyylien ja atomien adsorptiota pintaan.