REPOZITORIJ > REZULTATI

Povzetek

Razvoj učinkovitih katalizatorjev za trajnostno proizvodnjo vodika je bistven za postopni prehod k nizkoogljičnim tehnologijam. V tej disertaciji se osredotočamo na raziskave eksperimentalno relevantnih katalizatorjev z metodami ab initio za suho reformiranje metana in reakcijo razvoja vodika. Naš cilj je raziskati povezave med strukturo katalizatorjev in njihovo aktivnostjo ter pridobiti vpogled na atomskem nivoju, ki bi prispeval k načrtovanju visoko učinkovitih katalizatorjev.
Najprej smo preučili proces suhega reformiranja metana (CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂) na katalizatorjih na osnovi niklja. S pomočjo vibracijske analize in študij reakcijskih mehanizmov smo raziskali izvor eksperimentalno opaženih razlik med nedopiranim katalizatorjem CeO₂/Ni in z manganom dopiranim katalizatorjem CeO₂/Ni. Ugotovili smo, da je kovinski Ni aktiven za obravnavano reakcijo, vendar nagnjen k nalaganju ogljika, medtem ko je NiO neaktiven, vendar odporen proti zastrupljanju z ogljikom. Naši rezultati kažejo, da je ključna razlika med nedopiranim in z manganom dopiranim katalizatorjem v oksidacijskem stanju niklja: z manganom dopirani katalizator vsebuje delno oksidiran Ni, ki ohranja katalitsko aktivnost, hkrati pa je bolj odporen proti nalaganju ogljika.
Nato smo raziskali reakcijo razvoja vodika na katalizatorjih na osnovi platine in rutenija. Za platino smo izračunali površinske Pourbaixove diagrame za idealne površine in modele nanodelcev ter izvedli kinetično analizo na idealnih površinah. Rezultati so pokazali večjo reaktivnost modelov nanodelcev in močno odvisnost aktivacijskih barier od pokritosti površine z adsorbiranimi atomi vodika. Pri ruteniju smo primerjali katalitsko aktivnost hcp- in fcc-kristalnih faz z analizo najbolj stabilnih idealnih površin (Ru-hcp(001) in Ru-fcc(111)) ter z Wulffovo konstrukcijo nanodelcev. Zanimivo je, da najbolj stabilne površine kažejo nasproten trend aktivnosti od tistega, ki ga nakazujejo eksperimentalna opažanja za rutenijeve nanodelce. Nadaljnje analize so pokazale, da bi lahko bila visoka aktivnost katalizatorjev na osnovi fcc-Ru posledica prisotnosti manj stabilnih kristalnih ploskev na nanodelcih.
Nazadnje smo preučili modele nanodelcev Pt in Ru na različnih nosilcih, pri čemer smo primerjali običajni ogljikov nosilec z učinkovitim nosilcem TiON. Ugotovili smo, da TiON vpliva na lastnosti katalizatorjev na dva načina: (i) poveča moč vezave kovinskih nanodelcev na nosilec, s čimer izboljša njihovo obstojnost in odpornost proti aglomeraciji, ter (ii) nekoliko oslabi vezavo vodikovih atomov, kar izboljša katalitsko aktivnost pri reakciji razvoja vodika.