1) Weiterer Forschungskontext
Die Entwicklung neuartiger Materialien, die in der Lage sind, CO2 in Brennstoffe und Chemikalien mit hohem Mehrwert umzuwandeln, kann nicht nur die CO2-Emissionen in der Atmosphäre verringern, sondern auch den Übergang von einer linearen zu einer zyklischen Kohlenstoffwirtschaft ermöglichen. Unter den vielversprechenden katalytischen Materialien haben MXene, eine kürzlich entdeckte Familie von zweidimensionalen (2D) Übergangsmetallcarbiden oder -nitriden, aufgrund ihrer vielseitigen Zusammensetzung, Struktur, Stabilität unter den für die heterogene Katalyse interessanten Bedingungen und zahlreicher attraktiver Eigenschaften seit fast einem Jahrzehnt zunehmende Aufmerksamkeit erlangt. Ihre chemische Vielfalt und ihre Anpassungsfähigkeit, die eine systematische Variation sowohl der inneren Zusammensetzung als auch der Oberflächenbeschaffenheit ermöglichen, haben MXene gegenüber anderen 2D-Materialien hervorgehoben.
In diesem Projekt soll erforscht werden, wie MXene maßgeschneidert werden können, um ihre katalytische Aktivität für die Umwandlung von CO2 in Kraftstoffe und Chemikalien mit hohem Mehrwert, einschließlich Methanol, DME, Alkane, niedere Olefine und höhere Alkohole, zu ermöglichen und zu optimieren. Wir werden mit Hilfe von Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) und der kinetischen Monte-Carlo-Methode (KMC) eine große Anzahl von Katalysatoren auf MXen-Basis systematisch untersuchen und ihre Eignung für die CO2-Valorisierungsreaktionen in Abhängigkeit von ihrer chemischen Oberflächenbeschaffenheit prüfen. Dieses Projekt wird in enger Zusammenarbeit mit Experimentatoren durchgeführt, die die ausgewählten Kandidaten testen und während des gesamten Projekts wertvolle Daten und Rückmeldungen liefern werden.
2) Zielsetzung
- Aufdeckung der geschwindigkeitsbestimmenden und selektivitätsbestimmenden Schritte bei der CO2-Hydrierung,
- zu verstehen, wie die Energiebarrieren der kritischen elementaren Schritte und die relativen Stabilitäten zwischen den adsorbierten Spezies durch Veränderung der Art der Dotieratome moduliert werden können
- die vielversprechendsten MXen-basierten Kandidaten für jeden Produkttyp zu identifizieren
- die katalytische Leistung der vielversprechendsten Kandidaten experimentell zu testen
- die gewonnenen Erkenntnisse für die rationelle Entwicklung neuartiger Karbidkatalysatoren für die CO2-Hydrierung zu wertvollen Produkten nutzen.
3) Methoden
DFT-Berechnungen werden unter Verwendung des PBE-Austauschkorrelationsfunktionals durchgeführt, wie es im VASP-Code implementiert ist, einschließlich Dispersionswechselwirkungen. Die Übergangszustände werden mit Hilfe von durch maschinelles Lernen beschleunigten Berechnungen des elastischen Bandes berechnet. Die KMC-Simulationen werden mit dem Zacros-Paket durchgeführt.
4) Grad der Originalität
Dieses Projekt liegt an der Schnittstelle zwischen Materialwissenschaft, computergestützter Chemie, Katalyse und chemischer Reaktionstechnik und kombiniert zwei herausragende und spannende Forschungsbereiche: CO2-Valorisierung und funktionalisierte MXene. Der CO2-Hydrierung zu C2+-Produkten wird derzeit viel Aufmerksamkeit gewidmet, aber es wurden noch keine Versuche unternommen, dies an MXenen zu untersuchen.
5) Primär beteiligte Forscher
Hauptforscher: Dr. Hector Prats Garcia
Mentor: Assist. Prof. Aleix Comas Vives (TU Wien)
Internationaler Kooperationspartner: Dr. Alexey Fedorov (ETH Zürich)
