Simulations of CO2 reduction in molecular materials

QC 2025-05-21

Abstract

Den antropogena påverkan orsakar, bland annat, en ökning av koldioxidhalten i atmosfären, vilket bidrar till global uppvärmning och den därav följande klimatförändringen. Jämfört med den förindustriella eran har en temperaturökning på 1.5 °C registrerats år 2024. Även om detta kan verka som en blygsam ökning, representerar det en betydande ackumulering av värme. Ett sätt att motverka denna ökning är att använda katalysatorer för omvandling av CO2 till värdefulla produkter. Denna doktorsavhandling fokuserar på utveckling och mekanistisk analys av lovande katalysatorer som kan reducera CO2 till HCOOH eller CO, två viktiga kemiska råvaror. 

Den första studien visar att tillämpandet av Mn(bpy)(CO)3Br-katalysatorn tillsammans med trietylamin och isopropanol som tillsatser, kan den elektrokemiska reduktionen av CO2 skiftas från CO till HCOOH. Reaktionsmekanismen klargjordes, vilket betonade tillsatsernas avgörande roll. Därefter, i den andra studien, gjordes Modifikationer på bipyridinliganden i Mn(bpy)(CO)3 Br- katalysatorn för att undersöka dess påverkan på katalysatorns prestanda och selektivitet. Vi jämförde två Mn-katalysatorer med två respektive fyra amino- sidogrupper och utförde DFT för att undersöka effekten av dessa grupper. 

Förutom molekylära katalysatorer baserade på övergångsmetaller omfattar denna avhandling även modellering av metallorganiska ramverk (MOF). För att få djupare insikter i deras katalytiska egenskaper utvecklade vi i den tredje studien en ny katjonisk dummyatommodell som framgångsrikt reproducerade experimentella värden och möjliggjorde stabila och tillförlitliga molekylär- dynamiksimuleringar. Utöver detta modellerades vissa egenskaper såsom "andningsfenomenet". De nyparametriserade kraftfälten för metalljoner visade sig vara överförbara i vårt fjärde projekt där en koboltbaserad MOF, Al2(OH)2TCPP- Co, undersöktes givet dess potential att reducera CO2 till CO i en vatten-baserad elektrolyt. Simuleringarna gav insikter kring distributionen av CO2 och motjoner, vilket i sin tur gav upphov till slutsatser som kan bidra till framtida forskning om hur MOF-strukturer kan förbättras för elektrokemisk omvandling. 

Detta arbete ger läsaren kunskap om intressanta kandidater för elektrokemisk omvandling av CO2 samt idéer för möjliga framtida framsteg inom området. Ytterligare litteratur som sträcker sig bortom denna studies omfång kommer att inkluderas för att ge en bredare överblick av problemet och potentiella lösningar.

urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-363704