Večnivojsko modeliranje fotokatalitske CO2 redukcije z računalniško intenzivnimi simulacijami (multiPHOCOS)

Cilj predlaganega projekta je preučevanje fotokatalitske hidrogenacije ogljikovega dioksida (CO2) v metanol s pomočjo večnivojskega modeliranja. Uporabili bomo teorijo gostotnega funkcionala (DFT) za simulacijo in modeliranje reakcijske sheme na perovskitnih fotokatalitskih materialih. Glavni del projekta bo vključitev natančnega opisa površinskih interakcij med adsorbati, kar bomo na mezo-skali opisali preko kinetičnih Monte Carlo simulacij. Rezultati teoretične raziskave bodo ovrednoteni v študiji primera, kjer bomo sintetizirali modelirani fotokatalizator in eksperimentalno izvedli fotokatalitsko aktivacija CO2. Študija primera bo potrdila natančnost našega večstopenjskega računalniškega modeliranja. Medtem ko emisije CO2 naraščajo in je trenutna raven v ozračju zaskrbljujoča, katalitska hidrogenacija CO2 ostaja in bo ostala trajnostni način za preprečevanje nadaljnjega povečanja koncentracije CO2. Hidrogeniranje CO2 v fosilna goriva, zlasti metanol, je privlačna rešitev za shranjevanje energije. Še posebej je fotokatalitsko zmanjšanje CO2 energetsko ugoden pristop, ki je v zadnjem času pridobil veliko zanimanja. Z uporabo sončne energije neposredno v fotokatalitskem procesu je pretvorba trajnostna, z ničelnim ogljičnim odtisom. Ključna sestavina za uspešno fotokatalitsko pretvorbo CO2 v metanol je uporaba učinkovitega in optimiziranega fotokatalizatorja, z visoko aktivnostjo in stabilnostjo. Ker je na voljo veliko različnih materialov in geometrij, je za iskanje popolnega fotokatalizatorja potrebno opraviti veliko število eksperimentov. S pristopom preko teoretičnega modeliranja si lahko olajšamo eksperimentalno delo, saj lahko preučimo fotokatalitsko aktivne materiale z uporabo računalniških simulacij, na atomski in na mezo-skali. V tem projektu se bomo osredotočili na perovskitne fotokataliztorje, kot npr. površina SrTiO3. Raziskali bomo mehanizem reakcijske poti hidrogenacije CO2 pri fotokatalitski reakciji, pri kateri valovna dolžina vpadne svetlobe pomaga pri spodbujanju aktivnosti tako, da zniža aktivacijske energijske bariere določenih korakov v reakcijski shemi. Izračunane energije in predlagani reakcijski mehanizem bodo uporabljene pri kinetičnih Monte Carla (kMC) simulacijah. Tu bo poudarek na natančni vključitvi medsebojnih interakcij na površini, preko razširitve po prispevkih gruč. Metodologija je bila preizkušena na različnih enostavnih sistemih, vendar je računalniško zahtevna, sploh kadar se uporablja na kompleksnih reakcijskih poteh z veliko vmesnih spojin, kot je hidrogenacija CO2 v metanol. V predlaganem projektu bomo preučili vpliv površinskih interakcij na različnih ravneh, od interakcij kratkega dosega do dalšjih večdelčnih. Preučili bomo, v kolikšni meri natančen opis interakcij vpliva na katalitsko aktivnosti in v kakšni meri je treba interakcije vključiti v model, da dobimo realen opis reakcije v eksperimentalno ustreznih pogojih. Nazadnje bo študija primera v sodelovanju z Inštitutom Jožef Stefan služila kot potrditev teoretičnega modeliranja. Teoretično najbolj obetavni fotokatalizatorji bodo sintetizirani z natančnim nadzorom nad izpostavljenimi kristalnimi ravninami in terminalnimi površinami. Karakterizacija bo potrdila podobnost sintetiziranega in modeliranega fotokatalizatorja, fotokatalitski poskusi pa bodo podali eksperimentalno določeno katalitsko aktivnost in selektivnost. Primerjava različnih rezultatov simulacij kMC nam bo dala neposreden dokaz natančnosti površinskih interakcij, ki so eksperimentalno še relevantne. Poleg tega bo primerjava z eksperimentalnimi rezultati, zlasti z energijami, služila kot pokazatelj natančnosti metodologija DFT za modelirano reakcijo fotokatalitske pretvorbe CO2.