Nové kovové materiály na účinnú katalýzu chemických reakcií

Abstrakt: 

Projekt sa zaoberá sa možným využitím nanoporézneho zlata na katalytickú oxidáciu CO na CO2 pri nízkych teplotách. Projekt riešime v spolupráci s našim japonským partnerom z Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials (IMRAM), Tohoku University,  Sendai, ktorý rieši experimentálnu časť projektu. Odstránenie CO z vodíkových streamov je kritickým problémom pri konštrukcii palivových článkov umožňujúcich priamu produkciu elektrickej energie. Podstatou našich štúdií sú prvprincípové výpočty v rámci teórie funkcionálu hustoty (DFT), ktoré robíme pomocou programu VASP . Projekt nadväzuje na naše doterajšie štúdie atómovej štrukúry, chemickej reaktivity a katalytických vlastnosti povrchov intermetalických zliatin. Na riešenie tohto projektu s potenciálne významným praktickým dopadom potrebujeme naďalej využívať vypočtovú kapacity SIVVP v rozsahu približne rovnakom ako doteraz.

Spoluriešitelia: 
Odbor: 
Fyzika materiálov, fyzikálna chémia
Vedecká časť: 

V posledných rokoch sme sa v našich prácach zaoberali štúdiom atómovej štrukúry, chemickej reaktivity a katalytických vlastností povrchov intermetalických zliatin. Podstatou našich štúdií sú prvprincípové výpočty v rámci teórie funkcionálu hustoty (DFT). Výpočtu robíme pomocou programu VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package). Výsledky našich vedeckých výpočtov boli v prevažnej miere dosiahnuté na počítači Aurel. Výsledky našich štúdií sme publikovali v zahraničných vedeckých časopisoch [1-5]. Vo väčšine uvedených publikácií (v 4 z 5) je uvedené aj poďakovanie SIVVP vo VS SAV. O význame uvedených vedeckých prác môže svedčiť impakt faktor časopisov, ktrorý tiež uvádzame. Celkový impact factor IF časopisov uvedených publikácií v rokoch 2014-2015 je IF = 47.518 (2014). Ako príklad významného výsledku uvádzame objasnenie reakčného mechanizmu katalytickej selektivity pri reakcii metanolu s vodou na povrchoch troch izoštruktúrnych zliatin NiZn, PdZn a PtZn [1]. Táto reakcia metanolu sa využíva na produkciu vodíka pre palivové članky. (Uvedené práce boli vybrané Vedeckou radou Fyzikálneho ústavu ako najlepší výsledok ústavu v základnom výskume za rok 2015.) Súčasný projekt nadväzuje na doterajšie štúdie. Odstránenie CO z vodíkových streamov je kritickým problémom pri konštrukcii palivových článkov umožňujúcich priamu produkciu elektrickej energie. Projekt sa zaoberá sa možným využitím nanoporézneho zlata na katalytickú oxidáciu CO na CO2 pri nízkych teplotách. Projekt riešime v spolupráci s našim japonským partnerom, ktorým je prof. A. P. Tsai z Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials (IMRAM), Tohoku University,  Sendai, ktorý rieši experimentálnu časť projektu. Na riešenie tohto projektu s potenciálne významným praktickým dopadom potrebujeme naďalej využívať vypočtovú kapacity SIVVP v rozsahu približne rovnakom ako doteraz.

Scientometrický profil navrhovateľa projektu podľa databázy Scholar Google: viac ako 100 publikácií, viac ako 1900 citácií, Hirschov index: h=26.

[1] M. Krajčí, A.-P. Tsai, J. Hafner: Understanding Selectivity of Methanol Steam Reforming on the (111) Surfaces of NiZn, PdZn, and PtZn: Insights from DFT Journal of Catalysis 330 (2015) 6-18. IF = 6.921 (2014).

[2] M. Krajčí, J. Hafner: Intermetallic Compounds as Selective Heterogenous Catalysts: Insights from DFT, ChemCatChem (2015), DOI: 10.1002/cctc.201500733, in print. IF = 4.556 (2014).

[3] Hafner, M. Krajčí: Surfaces of Intermetallic Compounds: Insights from Density Functional Calculations, Accounts of Chemical Research 47 (2014) 13378-3384. IF = 26000004.348 (2014).

[4] M. Krajčí, J. Hafner: Semihydrogenation of Acetylene on the (010) Surface of GaPd2: Ga Enrichment Improves Selectivity Journal Physical Chemistry C (2014), 118, 12285−12301. IF = 4.772 (2014).

[5] M. Krajčí, J. Hafner: Selective semi-hydrogenation of acetylene: Atomistic scenario for reactions on the polar threefold surfaces of GaPd, Journal of Catalysis 312 (2014) 232-248. IF = 6.921 (2014).

Socioekonomický a technologický dopad: 

Vodík sa považuje za perspektívne ekologicky čisté palivo. Jeho praktické využitie však naráža na veľké problémy s uskladnením a prevozom vodíku. Bežné uhľovodíkové palivá obsahujú veľké množstvo energie, sú ľahko skladovateľné avšak ich spaľovanie má známe ekologicky negatívne vedľajšie efekty. Jedným z možných kandidátov pre uskladnenie vodíka je kvapalný methanol a to najmä v zmesi s vodou. Reakcia methanolu s vodou tzv. methanol steam reforming reakcia (MSR) umožňuje získať až 6 atómov vodíka na jednu molekulu CO2 (má teda vysoký pomer H/C=6). Ako možný katalyzátor pre MSR reakciu boli testované desiatky rôznych kovových zliatin. Kľúčovým problémom sa popri teplotnej stabilte katalyzátora ukazuje jeho selektivita. Prevažná väčšina zliatin produkuje pri MSR reakcii popri CO2 aj neprijateľný CO. Napríklad povrch Pd(111) je výborný dehydrogenačný katalyzátor, avšak produkuje okrem H2 takmer výlučne CO miesto CO2. V našej predchádzajúcej práci [1] sme objasnili mechanizmus selektivity tejto významnej reakcie a navrhli spôsoby jej optimalizácie. Súčasný projekt sa zaoberá sa možným využitím nanoporézneho zlata na katalytickú oxidáciu CO na CO2 pri nízkych teplotách. Projekt riešime v spolupráci s našim japonským partnerom z Institute of Multidisciplinary Research for Advanced Materials (IMRAM), Tohoku University,  Sendai, ktorý rieši experimentálnu časť projektu. Odstránenie CO z vodíkových streamov je kritickým problémom pri konštrukcii palivových článkov umožňujúcich priamu produkciu elektrickej energie.

Technická časť: 

Na svoje výpočty používame program VASP (Vienna Ab-initio Simulation Package), na využívanie ktorého máme licenciu. VASP je natívne paralelizovaný kód podla protokolu MPI. Ide o prvprincípové výpočty v rámci DFT, ktoré sa škálujú s 2-3 mocninou veľkosti systému. Avšak nakoľko prevažná väčšina našich výpočtov je v stanovení energetického profilu reakčných dráh molekúl, ktoré sa robia (metódou NEB) paralalne pre mnoho (16-64) systémov naraz, škálujú sa takéto výpočty lineárne. V závislosti od typu výpočtov a voľnej výpočtovej kapacity využívame na výpočty 1-8 nodov, najčastejšie v triede “small”. Celkový rozsah výpočtov odhadujeme na 600000 core-hodín. Vzhľadom na naše obmedzené finančné možnosti dokážeme pokryť približne polovicu týchto nákladov.

Prepojenie s grantovými úlohami: 
VEGA 2/0189/14, Nové kovové materiály s komplexnou štruktúrou a unikátnymi objemovými a povrchovými vlastnosťami.
Spolufinancovanie: 
1 800.00
Výstupy: 
M. Krajčí, J. Hafner: Semihydrogenation of Acetylene on the (010) Surface of GaPd2: Ga Enrichment Improves Selectivity Journal Physical Chemistry C (2014), 118, 12285−12301. IF = 4.772 (2014).
M. Krajčí, J. Hafner: Selective semi-hydrogenation of acetylene: Atomistic scenario for reactions on the polar threefold surfaces of GaPd, Journal of Catalysis 312 (2014) 232-248. IF = 6.921 (2014).
Hafner, M. Krajčí: Surfaces of Intermetallic Compounds: Insights from Density Functional Calculations, Accounts of Chemical Research 47 (2014) 13378-3384. IF = 24.348 (2014).
M. Krajčí, A.-P. Tsai, J. Hafner: Understanding Selectivity of Methanol Steam Reforming on the (111) Surfaces of NiZn, PdZn, and PtZn: Insights from DFT Journal of Catalysis 330 (2015) 6-18. IF = 6.921 (2014).
M. Krajčí, J. Hafner: Intermetallic Compounds as Selective Heterogenous Catalysts: Insights from DFT, ChemCatChem (2015), ChemCatChem 2016, 8, 34 – 48, DOI: 10.1002/cctc.201500733, IF = 4.556 (2014).
M. Krajčí, S. Kameoka, A.-P. Tsai.: Twinning in fcc lattice creates low-coordinated catalytically active sites in porous gold. Journal of Chemical Physics 145, (2016) 084703.
Marian Krajčí, Satoshi Kameoka, and An-Pang Tsai: Understanding the catalytic activity of nanoporous gold: Role of twinning in fcc lattice Journal of Chemical Physics 147, (2017) 044713.
Kazue Nishimoto, Marian Krajčí, Takayuki Sakurai, Hirone Iwamoto, Mitsuko Onoda, Chikashi Nishimura, Jeng-Ting Tsai, Sea-Fue Wang, Satoshi Kameoka, and An-Pang Tsai: Fast Oxidation of Porous Cu Induced by Nano-Twinning Inorg. Chem. 57, (2018) 2908−2916
Vijaykumar S. Marakatti, Saurav Ch. Sarma, Shreya Sarkar, M. Krajčí, Eric M Gaigneaux, and Sebastian C. Peter: Synthetically Tuned Pd-Based Intermetallic Compounds and their Structural Influence on the O2 Dissociation in Benzylamine Oxidation. ACS Appl. Mater. Interfaces 11, (2019) 37602−37616
Satoshi Kameoka, Marian Krajčí, An Pang Tsai: Highly selective semi-hydrogenation of acetylene over porous gold with twin boundary defects: Applied Catalysis A, General 569, (2019) 101–109
Vipin Kumar Singh, Marek Mihalkovic, Marian Krajčí, Shuvam Sarkar, Pampa Sadhukhan, M. Maniraj, Abhishek Rai, Katariina Pussi, Deborah L. Schlagel, Thomas A. Lograsso, Ajay Kumar Shukla, and Sudipta Roy Barman: Quasiperiodic ordering in thick Sn layer on i-Al-Pd-Mn: A possible quasicrystalline clathrate. Physical Review Research 2, 013023 (2020)