Doktorsvörn í efnaverkfræði - Ebrahim Tayyebi

Vörninni verður streymt:  https://livestream.com/hi/doktorsvornebrahimtayyebi

Doktorsefni: Ebrahim Tayyebi

Heiti ritgerðar: Rafefnafræðileg CO2 og N2 afoxun á málmum og málmoxíðum (Modeling electrochemical CO2 and N2 reduction reactions on transition metals and metal oxides)

Andmælendur: Dr. Anders Hellman, prófessor við eðlisfræðideild Chalmers-tækniháskóla í Gautaborg, Svíþjóð
Dr. Lars C. Grabow, prófessor við efnaverkfræðideild University of Houston í Texas, Bandaríkjunum

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

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

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

Ágrip
Meginmarkmið þessarar ritgerðar er notkun tölvureikninga sem byggja á þéttifellafræði við rannsóknir á rafefnafræðilegri afoxun á CO2 og N2. Stuðst er við nýlegt líkan af rafefnafræðilegum samskeytum rafskauts og rafvaka sem gerir okkur kleyft að rannsaka hreyfifræði fyrrnefndra afoxunarhvarfa. Fyrst er einfalt varmafræðilegt líkan notað við athuganir á rafefnaræðilegri CO2 afoxun á 12 hliðarmálma-oxíðum. Notast er við yfirborð rútíl kristalbyggingarinnar til að kanna fýsileika CO2 afoxunar á málmoxíða-hvötum. Skölun bindiorku mismunandi milliefna er reiknuð og notuð til þess að leggja fram viðmið fyrir bindifríorku vetnis og hýdroxíðs á hvötum sem sýna bæði góða virkni og sértækni við afoxun CO2. Þær niðurstöður má í framhaldinu nota við frekari þróun hvata fyrir rafefnafræðilega CO2 afoxun.
Til að öðlast frekari innsýn á afoxunarhvarfi CO2 á hliðarmálmsoxíðum þarf að framkvæma nákvæmari reikninga. Slíkir reikningar krefjast mikils tölvutíma svo framkvæmd þeirra fyrir öll 12 hliðarmálmsoxíðin er ekki fýsileg fyrir eitt og sama doktorsverkefnið. Þar af leiðandi einbeittu menn sér að RuO2(110) yfirborði. Framkvæmdar eru hermanir sem byggja á grunnlögmálum náttúrunar til þess að spá fyrir um hreyfifræði sameinda við stofuhita, auk reikninga á heildarorku kerfisins, til þess að bæta bæði líkanið og aðferðafræðina sem notast hefur verið við hingað til. Þessir reikningar varpa ljósi á hvarfgang rafefnafræðilegrar CO2 afoxunar á RuO2 með því að kanna áhrif vatns á hvarfið, auk þess sem rafefnafræðilegir virkjunarhólar eru reiknaðir. Hægt er að áætla hlutfallslegt magn mismunandi myndefna, svo sem metans, metnóls, CO(g), maurasýru, metandíóls og vetnis. Talsverður munur finnst á virkjunarhólum fyrir myndun metans og metanóls í samræmi við tilraunir sem hafa sýnt metanól myndun en ekki metan. Myndun og óbein áhrif CO sameindarinnar í CO2 afoxun er útskýrt. Einnig finnst að vetni er meginmyndefnið fyrir álagða spennu á bilinu -0.2 V til -0.9 V, sem er í góðu samræmi við nýlegar tilraunir. Áætluð yfirspenna fyrir myndun metanóls er um -1 V. Reikningarnir sýna auk þess hvers vegna RuO2 virkar sem hvati fyrir afoxun CO2 í maurasýru og CO(g) í snefilmagni, í samræmi við tilraunir.
Loks er athuguð rafefnafræðileg myndun ammoníaks á Ru yfirborði. Notast er við þéttnifellafræðireikninga til að varpa ljósi á hvarfgang niturafoxunar á mótum rafvaka og Ru(0001) rafskauts. Enginn virkjunarhóll annar en varmafræðilegur fannst fyrir fyrsta prótonu-rafeinda flutnings skrefið þar sem NNH millisameind myndast frá nitursameind, en þetta skref er talið vera spennutakmarkandi fyrir afoxun niturs á Ru(0001) yfirborði. Hvarfgangurinn sem spáð er fyrir afoxun niturs á Ru(0001) er þar sem nitursamdeindin sundrast ekki strax heldur afoxast sameindin á yfirborðinu þangað til þrjú prótónu-rafeinda pör hafa bundist á ytra nituratómið. Þá sundrast N-NH3 tengið og myndar fyrstu NH3 sameindina og nitur atóm verður eftir á yfirborðinu og afoxað að lokum í ammóníak. Hér kemur í ljós að nákvæm rannókn á hraðafræði hvarfsins, þar sem notast er við rafefnafræðilegt rafskauts-vökva samskeytalíkan, spáir fyrir um svipaðan hvarfgang og áður hefur verið gert með einföldu varmafræðilegu líkani.

Um doktorsefnið
Ebrahim Tayyebi hóf bakkalárnám sitt í efnaverkfræði árið 2005 við Arak háskólann í Arak, Íran og lauk því árið 2009. Þar vann hann meðal annars með prófessor Mostafa Keshavarz Moraveji við að rannsaka áhrif hitastigs, þrýstings og mismunandi hjálparefna til að mynda loftkennd hýdríð í vatni.
Að loknu BS-prófi hóf hann meistaranám í efnaverkfræði við Amirkabir tækniháskólann í Teran, Íran þar sem hann vann með prófessor Hamid Modarress við að rannsaka eðlisefna-eiginleika samskeyta milli fasts efnis og vökva á nanóskala. Ebrahim brautskráðist með meistarapróf árið 2012.

Ebrahim hóf doktorsnám við Háskóla Íslands árið 2016. Í doktorsritgerð sinni notar hann skammtafræðilega tölvureikninga til að rannsaka hvarfgang rafefnafræðilegrar afoxunar á N2 og CO2 sameindunum fyrir áburðar og eldsneytisframleiðslu.