Doktorsvörn í efnafræði - Björn Kirchhoff      

Streymi

Doktorsefni: Björn Kirchhoff            

Heiti ritgerðar: Tölvureikningar á eiginleikum efnahvata fyrir afoxun súrefnis (Computational Studies of Oxygen Reduction Catalysts)

Andmælendur:
Dr. Andrei Manolescu, prófessor við Verkfræðideild Háskólans í Reykjavík,
Dr. Felix Studt, prófessor við Institute for Chemical Technology and Polymer Chemistry (ITCP) og forstöðumaður Institute of Catalysis Research and Technology (IKFT) við Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Þýskalandi

Leiðbeinandi: Dr. Hannes Jónsson, prófessor við Raunvísindadeild Háskóla Íslands

Einnig í doktorsnefnd: Dr. Egill Skúlason, prófessor við Iðnaðarverkfræði-, vélaverkfræði- og tölvunarfræðideild Háskóla Íslands
Dr. Timo Jacob, prófessor við rafefnafræðideild Universität Ulm og yfirmaður Helmholtz-Institute Ulm (HIU), Þýskalandi
Dr. Elvar Örn Jónsson, sérfræðingur við Raunvísindastofnun Háskólans.

Doktorsvörn stýrir: Dr. Einar Örn Sveinbjörnsson, prófessor og deildarforseti Raunvísindadeildar Háskóla Íslands

Ágrip
Aukin virkni í afoxun súrefnis í rafefnahvörfum (oxygen reduction reaction, ORR) er mikilvægur liður í þróun á hagkvæmari og endingarbetri efnarafölum. Tölvureikninga er hægt að nota til að hjálpa til við að skilja og spá fyrir um betri ORR-efnahvata. Í þessari ritgerð eru ýmsar reikniaðferðir notaðar, nákvæmni þeirra prófuð og nýjar aðferðir þróaðar í reikningum á ýmsum ORR-hvötum. Í fyrsta hluta ritgerðarinnar er greint frá rannsóknum á oxun platínu-nanóklasa þar sem ReaxFF-mættisfall er notað, en þetta er sá hvati sem nú er mest notaður í efnarafölum. Reikningarnir byggja á stórkanónsku Monte Carlo-aðferðinni til að líkja eftir því hvernig nanóagnirnar oxast og eyðast. Fasagröf fyrir rafefnaoxun eru sett fram og þau sýna að stöðug yfirborðsoxíð geta myndast þegar efnarafalar eru í notkun. Jafnframt er sýnt fram á að klasar með samsetninguna Pt6O8 myndast einkum við oxunina og þannig er fengin atómskalamynd af því hvað veldur hrörnun platínu-nanóklasanna.

Í öðrum hluta ritgerðarinnar eru málmlausir ORR-hvatar rannsakaðir, nefnilega nitur-íbætt grafín (N-doped graphene, NG). Þar eru reikningar byggðir á þéttnifellafræði rafeinda notaðir til að meta varmafræðilega eiginleika mismunandi hvarfganga og meta yfirspennuna. Ýmsar nálganir fyrir þéttnifellið eru prófaðar með samanburði við Monte Carlo-rafeindareikninga á ásogi og sveimi *O atóms á grafíni, en það er mikilvægt stig í ORR. Niðurstöðurnar sýna að felli af GGA-gerð eru ekki nægjanlega nákvæm en sum hýbríð felli og GGA-felli með sjálfsvíxlverkunarleiðréttingu gefa útkomu sem er í góðu samræmi við Monte Carlo-reikningana. Hýbríð felli er svo notað til að meta yfirspennuna fyrir ýmsar gerðir efnahvata. Útreiknuð yfirspenna bendir til að efnahvatar af þessari gerð séu ekki virkir, en þegar leiðrétt er fyrir víxlverkun við vatnssameindir lækkar útreiknuð yfirspenna verulega. Þessi niðurstaða leiðir til mikillar áskorunar því kerfi þar sem margar vatnssameindir eru einnig til staðar eru of stór fyrir rafeindareikningana.

Í þriðja hluta ritgerðarinnar er þróuð ný aðferðafræði sem gerir kleift að taka vatnsraflausn með í reikninginn. Þar er hluti kerfisins - hvatinn sem og sameindir sem hvarfast og nærliggjandi vatnssameindir - tekinn með í rafeindareikningana á meðan hinn hluti kerfisins, þ.e. restin af raflausninni er lýst með mættisfalli. Mörkin milli svæðanna tveggja eru valin þannig að þau liggja í gegnum lausnina til að gera það auðveldara að lýsa víxlverkuninni milli atóma sitt hvorum megin við skilin. Þar með verður áskorunin sú að innleiða skilin þannig að atóm og sameindir fari ekki frá einu svæði yfir í annað. Ný aðferð sem byggð er á endurvarpi frá skilfletinum og kallast SAFIRES er þróuð í þessum tilgangi. Hún byggir á eldri aðferð sem nefnd er FIRES. Með SAFIRES-aðferðinni er skilflöturinn milli svæðanna færanlegur og finnur sjálfkrafa réttan stað, en agnir geta ekki færst í gegnum skilflötinn. Sýnt er fram á að með SAFIRES-aðferðinni er orka, kraftar á atómin og líkindadreifingin fyrir staðsetningu atómanna í góðu samræmi við reikninga þar sem enginn skilflötur er til staðar. Í SAFIRES-aðferðinni er tímaskrefið í reikningum á tímaframvindu aðlagað sjálfkrafa til að finna þann tímapunkt þar sem árekstur á sér stað við skilflötinn og atómin endurvarpast frá skilfletinum án orkubreytingar. Nýtt reiknirit fyrir tímaframvinduna er innleitt með og án tengingar við hitabað. Þetta er prófað með því að reikna út Lennard-Jones vökva, mót vökva og fastefnis Lennard-Jones atóma og vatn þar sem mættisföll lýsa víxlverkuninni. Með þessari SAFIRES aðferð ásamt nýlegri aðferð til að gera hýbríð reikninga með skautanlegum sameindum er lagður grunnurinn að leið til að taka vatnsraflausn með í reikninginn í kennilegum rannsóknum á rafefnafræði í framtíðinni.

Um doktorsefnið

Björn Kirchhoff fæddist 14. mars 1992 í Biberach í Baden-Württemberg, Þýskalandi. Hann er einkabarn Gudrunar Kirchhoff og Jörg Kirchhoff. Hann stundaði nám í efnafræði við Universität Ulm, þar sem hann lauk MSc. gráðu árið 2017. Að lokinni MS-gráðu kom Björn til Íslands og hóf doktorsnám undir handleiðslu Hannesar Jónssonar, prófessors við Raunvísindadeild.