Luận án Nghiên cứu phản ứng hydrogen hóa CO2 sử dụng các hệ xúc tác Ni5, Ni5 trên chất mang magnesium oxide và carbon hoạt tính theo phương pháp phiếm hàm mật độ

Tên luận án:

NGHIÊN CỨU PHẢN ỨNG HYDROGEN HÓA CO₂ SỬ DỤNG CÁC HỆ XÚC TÁC Ni5, Ni5 TRÊN CHẤT MANG MAGNESIUM OXIDE VÀ CARBON HOẠT TÍNH THEO PHƯƠNG PHÁP PHIẾM HÀM MẬT ĐỘ

Ngành:

Hóa lí thuyết và Hóa lí

Tóm tắt nội dung tài liệu:

Luận án này tập trung nghiên cứu phản ứng hydrogen hóa CO2, một quá trình quan trọng nhằm giảm thiểu khí CO2 gây hiệu ứng nhà kính và chuyển hóa nó thành các hợp chất hữu cơ có giá trị như CH4, CH3OH, HCHO, HCOOH. Đề tài lựa chọn các hệ xúc tác trên cơ sở nickel, cụ thể là Ni5, Ni5/MgO và Ni5/AC, do nickel có giá thành rẻ, độ chọn lọc và hoạt tính tốt, đặc biệt ở kích thước nano.

Mục đích chính là sử dụng các phương pháp hóa học tính toán, đặc biệt là phương pháp phiếm hàm mật độ (DFT) kết hợp với phương pháp CI-NEB, để nghiên cứu cơ chế phản ứng hydrogen hóa CO2. Luận án xây dựng các đường phản ứng, dự đoán các đường ưu tiên, đồng thời so sánh và đánh giá khả năng xúc tác của các hệ vật liệu này.

Các kết quả nghiên cứu đã chỉ ra rằng trên các tâm xúc tác Ni5, phân tử H2 bị hấp phụ phân li, trong khi CO2 được hấp phụ hóa học và liên kết C=O bị hoạt hóa mạnh. Khi Ni5 được đặt lên chất mang MgO hoặc Carbon hoạt tính (AC), khả năng hấp phụ CO2 và H2 của Ni5 giảm đi do sự giảm mật độ điện tích trên cluster. Luận án đã đề xuất và tính toán 33 đường phản ứng với 93 bước phản ứng trên ba hệ xúc tác, xây dựng các bề mặt thế năng chi tiết.

Sản phẩm ưu tiên nhất trong phản ứng hydrogen hóa CO2 là CH4, và không ưu tiên tạo thành carbon (coke) do năng lượng hoạt hóa rất cao. Đường phản ứng tạo CH4 tối ưu thường đi qua sản phẩm trung gian CO. Đặc biệt, khi Ni5 được đặt lên chất mang MgO và AC, độ chọn lọc của phản ứng tăng lên đáng kể. Trong số ba hệ xúc tác được nghiên cứu, hệ xúc tác Ni5/AC được đánh giá là có độ chọn lọc tốt nhất, một phần do diện tích bề mặt riêng lớn của carbon hoạt tính, giúp tăng khả năng hấp phụ H2 và CO2, từ đó tăng tốc độ phản ứng. Các kết quả này cung cấp cơ sở khoa học quan trọng để thiết kế các hệ xúc tác mới, hiệu quả hơn cho quá trình chuyển hóa CO2.

Mục lục chi tiết:

• Phần mở đầu: Giới thiệu lí do chọn đề tài, mục đích và nhiệm vụ nghiên cứu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu, ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án và những điểm mới của luận án.
• Chương 1: Giới thiệu cơ sở lí thuyết bao gồm các vấn đề cơ sở lí thuyết hóa học lượng tử như: phương trình Schrödinger, giới thiệu cơ sở các phương pháp phiếm hàm mật độ, phương pháp CI-NEB để xác định trạng thái chuyển tiếp.
• Chương 2: Là phần tổng quan về phản ứng hydrogen hóa CO2 và tổng quan về xúc tác trên cơ sở kim loại chuyển tiếp, sơ lược tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, tổng quan về phương pháp tính.
• Chương 3: Kết quả nghiên cứu và thảo luận. Giải thích các đường phản ứng, dự đoán hướng phản ứng ưu tiên, giai đoạn quyết định tốc độ phản ứng. So sánh, phân tích để tìm ra vai trò của xúc tác và chất mang đến khả năng tạo thành các sản phẩm.
• Phần kết luận: Tóm tắt các kết quả nổi bật của luận án.