Miðbiksmat í eðlisfræði - Muhammad Awais

Heiti ritgerðar: Rannsókn á nýjum hvötum fyrir skilvirka rafefnafræðilega afoxun CO₂ í eldsneyti (Exploring new catalyst for efficient electroreduction of CO₂ to fuels)

Nemandi: Muhammad Awais

Doktorsnefnd:
Dr. Younes Abghoui, rannsóknadósent við Eðlisvísindastofnun Raunvísindastofnunar
Dr. Einar Örn Sveinbjörnsson, prófessor við Raunvísindadeild Háskóla Íslands
Dr. Egill Skúlason, prófessor við Iðnaðarverkfræði-, vélaverkfræði- og tölvunarfræðideild Háskóla Íslands

Ágrip

Vistkerfi jarðar eru undir áður óþekktu álagi og jafnvægi þeirra virðist vera raskað. Undanfarin ár hefur orðið vart við hækkandi hitastig, bráðnun jökla og áberandi sveiflur í loftslagi á heimsvísu, þar sem meginorsök þessara alvarlegu breytinga er talin vera umfangsmikil og óstýrð losun gróðurhúsalofttegunda (GHG). Á sama tíma byggja fólksfjölgun, iðnvöxtur og tækniframfarir enn að mestu á hefðbundnum orkugjöfum, einkum bruna jarðefnaeldsneytis, sem leiðir til auðveldrar losunar gróðurhúsalofttegunda á borð við koltvísýring (CO₂). Framleiðsla endurnýjanlegrar orku og mótvægisaðgerðir gegn CO₂-losun eru því lykilatriði á okkar tímum til að vernda jörðina gegn hnattrænni hlýnun og versnandi loftslagi. Ein vænlegasta leiðin gæti falist í því að umbreyta losuðum CO₂ í sjálfbæra orkugjafa fremur en að einangra hann einungis. Slík nálgun gæti stuðlað að því að loka kolefnishringrásinni, auðvelda náð markmiðum um kolefnishlutleysi og styðja við framleiðslu hreinnar og grænnar orku. Umbreyting CO₂ í nytjanleg efni hefur á undanförnum árum orðið eitt af meginviðfangsefnum rannsókna, þar sem beitt er fjölbreyttum aðferðum á borð við varmaefnafræðilegar, lífefnafræðilegar, ljósefnafræðilegar og rafefnafræðilegar leiðir. Fyrri rannsóknir sýna skýrt að umbreyting úrgangs-CO₂ í sjálfbær hráefni fyrir efnaiðnaðinn hefur tvíþættan ávinning: annars vegar mætir hún vaxandi orkuþörf og hins vegar dregur hún úr kolefnislosun. Af þeim lausnum sem lagðar hafa verið til eru rafefnafræðilegar aðferðir sérstaklega álitlegar, meðal annars vegna þess hve auðvelt er að samþætta þær endurnýjanlegum orkukerfum. Í þessu samhengi er meginmarkmið þessarar rannsóknar að bera kennsl á og meta hentug hvatayfirborð fyrir rafefnafræðilega afoxun koltvísýrings (CO₂RR) og kolmónoxíðs (CORR). Til að ná þessu markmiði var beitt skammtavélrænni hermun byggðri á þéttnifallsfræði (density functional theory, DFT) til að meta kerfisbundið hvatavirkni fjölmargra málmbundinna hvatayfirborða fyrir CO₂RR og CORR. Í upphaflegri greiningu reyndist aðsog CO vera útvermið (exergonic) og varmafræðilega hagstæðara en aðsog CO₂, sem opnar leið fyrir greiða CORR. Með því að taka tillit til mismunandi rafefnafræðilegra umhverfa í viðurvist þekjuefna (coverage species) var CO₂RR og CORR endurmetin, og leiddu þær greiningar í ljós ólíkar hvarfgöngur og myndefni. Þessar afoxunarhvarfanir gera kleift að mynda bæði ein- og fjölkolefnisafurðir, svo sem maurasýru, metanól, metan, etýlen og etanól. Í hnotskurn veitir þessi rannsókn, með yfirgripsmiklu mati á hvatavirkni sem felur í sér aðsog, virkjun og afoxun CO₂ og CO eftir fjölmörgum mögulegum hvarfgöngum, auk ítarlegrar greiningar á róteindaadsogi, dýrmætar fræðilegar innsýnir um valin yfirborð. Rannsóknin setur jafnframt fram heildstæða vegvísi fyrir hvatavirkni, sértækni og stöðugleika við mismunandi rafefnafræðilegar aðstæður. Enn fremur veitir þessi fræðilega vinna traustar forspár fyrir framtíðartilraunir og styður við þróun skilvirkra rafefnafræðilegra hvata fyrir hreinni og sjálfbærari orkuframleiðslu með því að stuðla að lokun kolefnishringrásarinnar.