1.
Kvantnokemijsko modeliranje fotokatalitične pretvorbe ogljikovega dioksida v spojine z višjo dodano vrednostjo : doctoral dissertationŽan Kovačič, 2024, doktorska disertacija
Opis: Zajem in pretvorba CO2 sta v zadnjih desetletjih požela veliko pozornost tako industrije kot znanstvene skupnosti, predvsem zaradi prispevka CO2 k globalnemu segrevanju Obstaja že ogromno študij fotokatalitične redukcije CO2, večina katerih je podprta z eksperimentalnimi tehnikami, medtem ko so teoretične metode pogosto prezrte. Teoretične metode se večinoma uporabljajo le kot dodatna razlaga eksperimentalnih podatkov, redko so teoretične študije glavni predmet raziskave. Zaradi naglega razvoja računalniške moči v zadnjih desetletjih in postavitve več modernih, zmogljivih računalniških centrov se povečuje tudi interes za teoretične metode. Razvoj teoretičnih orodij, kot je na primer teorija gostotnega funkcionala (DFT), dodatno pospešuje in izboljšuje teoretične izračune, ki nam lahko služijo za analizo reakcijskih mehanizmov, lastnosti materialov in napoved izboljšav na ogromno področjih, predvsem pri razvoju novih katalizatorjev.
Namen doktorske naloge je bila karakterizacija TiO2 za fotoredukcijo CO2 s teoretičnimi metodami in primerjava različnih pristopov za pravilen opis različnih lastnosti katalizatorja. Rezultati kažejo, da je izbira funkcionalov in popravkov odvisna od fenomenov, ki jih želimo obravnavati. Analiza adsorpcije in aktivacije CO2 na več nemodificiranih in modificiranih površinah anataza in rutila je pokazala, da je aktivacija CO2 pomemben, a kompleksen proces, saj je aktivacija CO2 predpogoj za fotoredukcijo. Aktivacija se odraža kot prenos elektronov s površine na molekulo CO2, medtem ko se to geometrijsko izrazi kot deformacija molekule ob adsropciji (zmanjša se kot v molekuli). Sledila je preučitev reakcijskega mehanizma fotoredukcije CO2 na čisti in z bakrom dopirani površini anataza (101) in rutila (110) ter na s Pd dopirani površini anataza. Izkazalo se je, da reakcija v osnovnem stanju zaradi visokih aktivacijskih energij praktično ne poteka na nobeni od preučevanih površin, kar je bilo podkrepljeno z mikrokinetičnim modelom.
V sistem smo nato uvedli fotovzbujen elektron, ki smo ga iz najvišje zasedene molekulske orbitale (HOMO) prestavili v najnižjo nezasedeno molekulsko orbitalo (LUMO), medtem ko je elektronska vrzel ostala v valenčnem pasu (VB), kar smo dosegli z uporabo metode ∆SCF. Rezultati so pokazali, da se aktivacijske energije v nekaterih primerih znatno znižajo. Mikrokinetični model je napovedal, da v primeru dopiranja anataza (101) s Cu lahko pričakujemo H2 kot produkt, medtem ko je v primeru dopiranja rutila (110) s Cu glavni produkt CO. Slednje kaže ujemanje z obstoječo literaturo.
Preizkusili smo tudi računsko intenzivnejšo metodo, in sicer časovno odvisen DFT (TDDFT). Zaradi računske in pomnilniške zahtevnosti je metoda primerna le za manjše sisteme. Na površino anataza (101) smo dodali atome Pd in izvedli izračune za določitev reakcijskega mehanizma. Rezultati so pokazali, da se aktivacijske energije znižajo, vendar ne dovolj, da bi bil katalizator primeren za fotoredukcijo CO2. Na istem sistemu smo izvedli ∆SCF, ki je pokazal, da se izračunane vrednosti aktivacijske barier med pristopoma razlikujejo za približno 10 %, kar upravičuje uporabo ∆SCF na večjih sistemih, kjer TDDFT ni izvedljiv.
Doktorska disertacija prikazuje možnost uporabe najnovejših metod za teoretično modeliranje vzbujenih stanj na primeru fotoredukcije CO2 in je glede na trenuten pregled literature prva izmed takšnih raziskav, predvsem zaradi kompleksnosti metodologije in računske zahtevnosti.
Ključne besede: Mikrokinetika, CO2, vzbujena stanja, TDDFT, ∆SCF, fotokataliza
Objavljeno v DKUM: 07.01.2025; Ogledov: 0; Prenosov: 55
Celotno besedilo (8,06 MB)