Doktorsvörn í eðlisfræði - Atef Iqbal

Doktorsefni:
Atef Iqbal

Heiti ritgerðar:
Rafefnafræðileg ammóníaksmyndun á málmkarbíð og málmkarbónítríð efnahvötum

Andmælendur:
Dr. Max Garcia Melchor, Ikerbasque-rannsóknaprófessor, CIC Energigune, Vitoria, Spánn.
Dr. Karoliina Honkala, prófessor við Háskólann í Jyväskylä, Finnland.

Leiðbeinandi:
Dr. Einar Örn Sveinbjörnsson, prófessor við Raunvísindadeild Háskóla Íslands.

Einnig í doktorsnefnd:
Dr. Egill Skúlason, prófessor við Iðnaðarverkfræði, vélaverkfræði og tölvunarfræðideild, Háskóla Íslands
Dr. Younes Abghoui, fræðimaður við Raunvísindastofnun Háskólans
Dr. Einar Örn Sveinbjörnsson, prófessor við Raunvísindadeild, Háskóla Íslands.
Dr. Helga Dögg Flosadóttir, framkvæmdarstjóri og meðstofnandi Atmonia, Ísland

Stjórnandi varnar:
Dr. Birgir Hrafnkelsson, prófessor og deildarforseti Raunvísindadeildar HÍ 

Ágrip:
Á næstu 80 árum er spáð dramatískri fólksfjölgun í heiminum sem gæti leitt til þess að íbúafjöldi jarðarinnar muni ná 11 milljörðum áður en hann staðnar fyrir lok aldarinnar. Þessi fólksfjöldi mun krefjast aukinnar matvælaframleiðslu, sem hægt er að ná á skilvirkari hátt með tilbúnum áburði. Fjöldaframleiðsla á tilbúnum áburði, sér í lagi á ammoníaki, er framkvæmd með aðferð Haber-Bosch. Þessi aðferð notar vetni (búið til frá jarðgasi eða kolum) og köfnunarefni sem hvarfefni til að mynda ammoníak með járn-hvata, sem myndar koltvíoxíð sem aukaafurð. Þessi aðferð er því miður ástæðan fyrir um 1% af CO2 losun mannkyns, sem eykur áhrif gróðurhúsaáhrifa á jörðinni. Þar að auki, vegna stöðugleika niturs sameindarinnar þarf mikla orku til að brjóta efnatengi hennar, þess vegna þarf aðferðin háan þrýsting og hátt hitastig. Til þess að geta búið til þær aðstæður fyrir ferlið þarf risastórar miðlægar ammoníakframleiðslustöðvar. Þessi ritgerð kannar rafefnaafoxun köfnunarefnis, sem hefur möguleika á að framleiða ammoníak úr köfnunarefni, vatni og rafmagni. Þessi aðferð gæti hugsanlega leitt til kolefnislauss ferlis ef rafmagnið er framleitt með endurnýjanlegum orkugjöfum eins og vind- eða sólarorku. Enn fremur getur ferlið gengið við (nánast) umhverfisaðstæður, sem gerir staðbundna framleiðslu mögulega án þess að þurfa flutning eða geymslu. Í ritgerðinni kynnum við reikniefnafræðilega hönnun á mögulegum nýjum, hagkvæmum rafefnahvötum sem samanstanda af málmkarbíðum og málmkarbónítríðum. Við spáum fyrir að tilteknir efnahvatar geti rafafoxað köfnunarefnissameindinni í ammoníak, í vatnslausn við umhverfishita og -þrýsting með aðeins lítilli spennu. Þéttnifellafræðilegir reikningar á rafeindabyggingu eru notaðir til að meta frammistöðu þessara nýju rafhvataflokka fyrir ammoníakmyndun. Megin rafefnahvarfið sem gerir þetta ferli mögulegt eru svokallað Mars-van Krevelen hvarfið, frekar en hefðbundin samtengingarhvörf eða sundrunarhvarf. Á meðal fjölmargra málmkarbíða og málmkarbónítríða efnahvata sem rannsakaðir eru í þessari ritgerð eru WC, TaC, VCN og NbCN spáð fyrir um að vera efnilegir rafefnahvatar, út frá yfirgripsmikilli greiningu með tölvureikningunum. Þessi fjögur efni sýna meiri virkni fyrir ammoníakmyndun en fyrir vetnismyndun sem er samkeppnishvarfið í þessu ferli. Það er ólíkt hreinum málmhvötum sem framleiða aðallega vetni. Við rannsökum einnig stöðugleika þeirra gegn mögulegu niðurbroti þeirra við notkunaraðstæður sem og að þeir mengist. Sýnt er að mjög áhrifarík ammoníakmyndun byggist á sérstökum einkristallayfirborðum þar sem fjölkristallayfirborð geta valdið niðurbroti hvatanna. Þessi vinna er stórt skref í átt að þróun á sjálfbæru ferli fyrir ammoníakframleiðslu, sem myndar verðmæt köfnunarefnissambönd beint úr lofti, vatni og endurnýjanlegu rafmagni við umhverfisaðstæður.

Um doktorsefnið:

Atef Iqbal fæddist í Karak, sem er staðsett í Khyber Pakhtunkhwa-héraði í Pakistan. Hann lauk BS gráðu í eðlisfræði við Hazara háskólann í Mansehra árið 2017, þar sem hann hlaut heiðursverðlaun forsætisráðherrans fyrir frábæran árangur í námi.

Í framhaldi fékk Atef kínverskan ríkisstyrk til að stunda nám við Soochow háskólann í Suzhou í Kína, þar sem hann lauk meistaranámi sínu í eðlisfræði árið 2020. Árangur hans var enn á ný viðurkenndur þegar hann hlaut verðlaunin "Frammúrskarandi alþjóðlegur nemandi" frá kínverskum stjórnvöldum.

Að loknu meistaranámi starfaði hann sem rannsóknarmaður við Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) í Þýskalandi frá janúar til október 2021.

Atef hóf doktorsnám sitt við Háskóla Íslands árið 2021.