Ab-initio modeling of cobalt based water reduction catalysts in aqueous solution and on surface
[ X ]
Tarih
2022
Yazarlar
Dergi Başlığı
Dergi ISSN
Cilt Başlığı
Yayıncı
Adana Alparslan Türkeş Bilim ve Teknoloji Üniversitesi
Erişim Hakkı
info:eu-repo/semantics/openAccess
Özet
Hidrojen enerjisi yenilenebilir enerji kaynağı olarak fosil yakıtlara olan bağımlılığın yerini alabilir, dolayısıyla yaygın kullanımının arttırılması için çözüm arayışı günümüzün zorluklarından birini oluşturmuştur. H2'nin sürdürülebilir üretim yöntemlerinden biri geçiş metallerine sahip moleküler katalizörler ile fotokatalitik su indirgeme reaksiyonudur. Çalışmalar, kobalt bazlı katalizörlerin fotokatalitik su indirgeme reaksiyonlarında aktif ve verimli bir etkiye sahip olduğunu ve Rutenyum ve Platin gibi pahalı geçiş metalleri yerine kullanılabileceğini göstermiştir. Bu çalışmada, Ab-initio Moleküler Dinamik (AIMD), Metadinamik (MTD), Yoğunluk Fonksiyoneli Teorisi (DFT) ve ayrıca Serbest Enerji Pertürbasyon Teorisi aracılığıyla hem sulu çözeltide hem de TiO2 yüzeyinde Co bazlı su indirgeme katalizörlerinin çözelti veya yüzey ile etkileşimleri araştırılmıştır. Homojen katalizlenme ile ilgili olarak, EECC su indirgeme reaksiyon mekanizmasının birinci ve ikinci indirgeme ara adımları modellenmiştir. Elektron enjeksiyonlarını takiben çözücü tepkisi ve çözücüdeki katalizörün düzlemsel yapısı analiz edilmiştir. Birinci ve ikinci indirgenme serbest enerjileri hesaplanmış, AIMD yörüngeleri analiz edilmiş, ve yörüngelerden seçilen anlık görüntülerin elektronik yapıları daha karmaşık yöntemler kullanılarak ayrıca değerlendirilmiştir. Heterojen katalizlenme için, rutil(110) yüzeyinde birkaç kobalt bazlı katalizörün adsorpsiyon enerjilerinin yanı sıra optimize edilmiş geometrileri karşılaştırılmıştır. Seçilen katalizör/TiO2 sistemlerinin elektronik yapıları, elektron yoğunluk farkı haritaları hesaplanarak ayrıca araştırılmıştır.
The common use of hydrogen as a renewable energy source has been one of today's challenges that, if resolved, could replace dependence on fossil fuels. One of the sustainable ways of H2 production is the photocatalytic water reduction reaction catalyzed by molecules with transition metals as reaction centers. Studies have shown that cobalt-based catalysts have an active and efficient effect in photocatalytic water reduction reactions and can be used instead of expensive transition metals such as ruthenium and platinum. In this study, we investigate Co-based water reduction catalysts in aqueous solution as well as on the TiO2 surface by means of Ab-initio Molecular Dynamics (AIMD), Metadynamics (MTD), Density Functional Theory (DFT) as well as Free Energy Perturbation Theory. Regarding homogeneous catalysis, we model the first and second electron injection intermediate steps of the EECC water reduction reaction mechanism. We analyze the solvent response following the electron injections as well as the behavior of the planar structure of the catalyst in the water solvent. The first and the second reduction free energies are calculated, AIMD trajectories are analyzed, and electronic structures of the selected snapshots are further evaluated using more sophisticated methods. For the heterogeneous catalysis, we compare the optimized geometries as well as adsorption energies of several cobalt-based catalysts on the rutile(110) surface. Electronic structures of the selected catalysts/TiO2 systems are further investigated by calculating electron density difference maps.
The common use of hydrogen as a renewable energy source has been one of today's challenges that, if resolved, could replace dependence on fossil fuels. One of the sustainable ways of H2 production is the photocatalytic water reduction reaction catalyzed by molecules with transition metals as reaction centers. Studies have shown that cobalt-based catalysts have an active and efficient effect in photocatalytic water reduction reactions and can be used instead of expensive transition metals such as ruthenium and platinum. In this study, we investigate Co-based water reduction catalysts in aqueous solution as well as on the TiO2 surface by means of Ab-initio Molecular Dynamics (AIMD), Metadynamics (MTD), Density Functional Theory (DFT) as well as Free Energy Perturbation Theory. Regarding homogeneous catalysis, we model the first and second electron injection intermediate steps of the EECC water reduction reaction mechanism. We analyze the solvent response following the electron injections as well as the behavior of the planar structure of the catalyst in the water solvent. The first and the second reduction free energies are calculated, AIMD trajectories are analyzed, and electronic structures of the selected snapshots are further evaluated using more sophisticated methods. For the heterogeneous catalysis, we compare the optimized geometries as well as adsorption energies of several cobalt-based catalysts on the rutile(110) surface. Electronic structures of the selected catalysts/TiO2 systems are further investigated by calculating electron density difference maps.
Açıklama
Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Biyomühendislik Ana Bilim Dalı, Biyomühendislik Bilim Dalı
Anahtar Kelimeler
Kimya, Chemistry ; Kimya Mühendisliği
