Doktorsvörn í efnaverkfræði - Narges Atrak

Doktorsefni: Narges Atrak

Heiti ritgerðar:  Tölvureikningar á rafefnafræðilegri afoxun CO2 í eldsneyti á málmoxíð yfirborðum (Modeling electrochemical CO2 reduction reaction on transition metal oxides)

Andmælendur:
Dr. Anders Hellman, prófessor við Chalmers-tækniháskólann í Gautaborg, Svíþjóð
Dr. Federico Calle-Vallejo, rannsóknaprófessor við University of the Basque Country, San Sebastian, Spáni

Leiðbeinandi: Dr. Egill Skúlason, prófessor við Iðnaðarverkfræði-, vélaverkfræði- og tölvunarfræðideild HÍ

Einnig í doktorsnefnd:
Dr. Hannes Jónsson, prófessor við Raunvísindadeild HÍ
Dr. Elvar Örn Jónsson, sérfræðingur við Raunvísindastofnun Háskólans

Doktorsvörn stýrir: Dr. Rúnar Unnþórsson, prófessor og deildarforseti Iðnaðarverkfræði-, vélaverkfræði- og tölvunarfræðideildar HÍ

Ágrip

Meginmarkmið doktorsritgerðarinnar er að nota tölvureikninga byggða á þéttnifellafræði til að rannsaka CO2 afoxun á málmoxíðum með varmafræðilegu líkani, sem og líkani fyrir vetnishálfskaut. Yfirborðin eru með rutile-oxíð (110) byggingu og eru notuð til að rannsaka hneigð og takmarkandi þætti fyrir CO2 afoxun. Varmafræðilegar eldfjallamyndir eru búnar til frá línulegum samböndum á milli bindiorka milliástanda í CO2 hvarfinu.

Með þessari aðferð eru lagðir til leiðarvísar fyrir bindingu á vetnisatómi og OH sameindum þar sem lágri yfirspennu og hárri nýtni er spáð fyrir CO2 afoxun á ákveðnum oxíðum. Þetta gerir kleift að þróa betri efnahvata byggða á málmoxíðum fyrir CO2 afoxun. Fyrst eru áhrif frá vatnssameindum rannsökuð fyrir stöðugleika milliástanda í CO2 afoxun í metanól og maurasýru, sem og fyrir samkeppnishvarfið að mynda vetnisgas. Til að rannsaka áhrif vatns sem leysis er eitt mónólag af vatnssameindum notað í fríorkureikningum á milliástöndum í CO2 afoxun og H2 myndun og borið saman við niðurstöður þegar vatn er ekki til staðar. Einblínt er á hneigð í efnahvötun með hliðsjón af eldfjallamyndum fyrir myndefnin. Sjáanlegt er að vatnssameindirnar sem eru bundnar við yfirborðið geta breytt yfirspennunni í maurasýru og metanól frá 0,2 og upp í 0,5 V en hins vegar breytist ekki hvaða skref er spennutakmarkandi.

Niðurstöðurnar gefa til kynna að vatnssameindirnar minnki bindingu HCOOH á yfirborðunum, sem hefur mikil áhrif þar sem HCOOH er lykilskref í CO2 afoxun í metanól. Þá er rannsökuð sækni súrefnis-, kolefnis- og vetnisatóma á málmoxíðunum og hlutverk þeirra á virkni og nýtni efnahvatanna. Ítarlegar rannsóknir sýna einnig að CO hula á yfirborði hefur talsverð áhrif á nýtni efnahvatanna í mismunandi myndefni. Fyrir öll málmoxíðin sem eru rannsökuð er meðalhá CO hula hagstæð fyrir bæði myndun á maurasýru og á metanóli. Enn fremur er MoO2 og HfO2 spáð fyrir um að hvarfa CO2 í metanól við lága yfirspennu við miðlungs- eða háa CO hulu frekar en við lága hulu. Þar að auki benda gögnin til að aukin CO hula á málmoxíðunum geti lækkað vetnismyndunina.

Rannsóknirnar undirstrika enn fremur mikilvægi virkra bindistaða á yfirborðinu þegar CO2 er afoxað í metanól og að nota hentuga vísa af ásogsorku fyrir lykilmilliefni. Þessar niðurstöður eru notaðar í lokaverkefni þessarar ritgerðar þar sem rannsakaðir eru virkir staðir í CO2 afoxun í CO og maurasýru á TiO2/RuO2 og SnO2/RuO2 blöndum. Til að skilja niðurstöður tilrauna og spá fyrir um virka hvarfstaði eru Ru atóm skipt út fyrir Ti eða Sn atóm í TiO2 og SnO2 með mismunandi hlutföllum og samsetningum. Í ljós kemur að þegar bindistaðirnir fyrir COOH/OCHO milliefnin eru Ru-Ti er yfirspennan fyrir CO myndun hærri en fyrir RuO2 yfirborðið, en þegar bindistaðirnir eru Ru-Ru eða Ti-Ti er yfirspennan lægri. Hins vegar fyrir myndun á maurasýru eru Ru-Ru bindistaðir með lægstu yfirspennuna en Ti-Ti bindistaðir eru með hæstu yfirspennuna. Einnig sést að þegar Ru atómi er skipt út fyrir Cu atóm þegar eitt lag af RuO2 er á TiO2 yfirborði, að yfirspennan lækkar töluvert fyrir bæði myndun á maurasýru og CO. Þá sýna niðurstöðurnar að þegar Sn atómi er skipt út fyrir Ru atóm á ákveðnum stöðum á SnO2 yfirborðinu að yfirspennan minnkar vegna áhrifa á rafeindabyggingu yfirborðsins. Þessar niðurstöður er hægt að nýta til að hanna virka staði fyrir CO2 afoxun og þar með hækka nýtni og lækka yfirspennuna sem þarf að leggja á kerfið.

Um doktorsefnið

Narges Atrak fæddist og ólst upp í Zanjan í Íran og lauk BS-gráðu í hagnýttri efnafræði frá Zanjan University árið 2014. Í grunnnáminu rannsakaði hún hreinsun á þungmálmum úr vatni með lífsameindum undir handleiðslu prófessors Mohammads Reza Yaftian.

Eftir útskrift hóf Narges meistaranám sitt í eðlisefnafræði við Institute for Advanced Studies in Basic Sciences í Zanjan í Íran, þar sem hún rannsakaði byggingu og rafeinda eiginleika phosphorene-laga með þéttnifellafræði undir handleiðslu dr. Fariba Nazari.

Árið 2018 hóf Narges doktorsnám í efnaverkfræði við Háskóla Íslands undir handleiðslu prófessors Egils Skúlasonar þar sem hún hefur rannsakað rafefnahvötun undanfarin fimm ár. Rannsóknir hennar byggja á skammtafræðilegum tölvureikningum á hvarfgangi CO2 afoxunar í ýmis myndefni eins og metanól, maurasýru og CO.

Áhugi Narges á akademískum rannsóknum og að auka skilning og kunnáttu á hennar fræðasviði mun gefa henni tækifæri til að taka við nýdoktorsstöðu við University of Calgary í Kanada eftir doktorsnafnbótina.