Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Optimizing a Single Atom Catalyst for theOxygen Evolution Reaction using DensityFunctional Theory
KTH, School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH).
2019 (English)Independent thesis Advanced level (professional degree), 20 credits / 30 HE creditsStudent thesis
Abstract [en]

The growing interest of renewable fuel and energy sources has steadily increased over time due to climate changes. Research is being made around the world to find solutions for the different problems; one possible solution is to produce hydrogen gas to help phase out the usage of fossil fuels. So far, the technology for the hydrogen gas production is expensive for various reasons, one of the challenges is to minimize the energy usage for the production. Hydrogen could be used in fuel cells which can be used to fuel an electric car. In a fuel cell, hydrogen and oxygen gas are mixed to produce electrical energy as the main product, but it also forms thermal energy and water. Hydrogen gas can be produced from the reversed reaction; by electrolysis of water. This reaction requires energy and one way to minimize the energy usage for this is by using acatalyst.

The goal with this master thesis was to see how the reaction rate of the oxygen evolution reaction can be affected by different single atom catalyst systems. The main structure for this catalyst in this thesis is aporphyrin molecule where different transition metals were tried as the active site. Different modifications on the structure were also made by exchanging some of the structures atoms and by adding different ligands.The purpose of this is to see how these modifications change the activity of the catalyst. The catalysts were optimized and calculated in a computational chemistry program called Gaussian 16. The calculations was made by using the DFT functional PBE0 and the basis sets Def2svp and Def2tzvpp.

The results show that different modifications do affect the activity of the catalyst. The biggest variations in activity are from placing ligands under the active site while exchanging hydrogens to other substituents on the outer radial position can fine tune the results. The best active sites for this system came by using iridium, rhodium and cobalt which are all elements in group 9 of the periodic table. The lowest overpotential of 0.513 V was given by an iridium based system with four hydrogens exchanged by fluorides.

Abstract [sv]

Runt om i världen finns ett ökat intresse för förnyelsebara energi och bränslekällor för att tackla klimat förändringarna. Stor del av forskningen som görs idag har i syfte att hitta nya lösningar för att minska klimatpåverkan i olika områden. Ett av forskningsområderna är hitta vägar till en miljövänligare vätgasproduktion där vätgasen skulle kunna användas i bränsleceller. Dessa celler kan sättas i elbilar och på så sätt fasa ut användingen av fossila bränslen. En av utmaningarna för vätgasproduktionen är att den idag är kostsam och kräver mycket energi. Forskare försöker hitta olika katalysatorer som kan minska energiåtgången som krävs vid elektrolys av vatten där syrgas och vätgas produceras.

Målet med det här examensarbetet är att se hur en single atom catalyst kan påverka reaktionskinitiken för den syrgasbildande reaktionen vid elektrolys av vatten. Huvudstrukturen för katalysatorn som beräkningarna är gjorda på är en porphyrinmolekyl där olika övergångsmetaller kommer testas som det aktiva sätet i katalysatorn. Olika ligander kommer även tillsättas systemet samt utbyte av några väteatomer till olika substituenter i porfyrinstrukturen. Katalysatorn optimerades i det kvantkemiska beräkningsprogrammet Gaussian 16 med funktionalen PBE0 med basset Def2svp och Def2tzvpp.

Resultaten visade att olika modifikationer på systemet hade en påverkan på katalysatorns aktivitet. Den största påverkan hade de olika liganderna som placerades under det aktiva sätet jämfört med de olika substituenterna. De bästa metallerna för katalysatorn var iridium, rhodium och kobolt vilket alla ligger i grupp nio i det periodiska systemet. Den lägsta överpotentialen på 0.513 V gavs av iridium systemet med fyra utbyta väten till fluor.

Place, publisher, year, edition, pages
2019. , p. 29
Keywords [en]
Single atom catalyst, oxygen evolution reaction, density functional theory, heterogeneous catalyst, transition metals
National Category
Chemical Sciences
Identifiers
URN: urn:nbn:se:kth:diva-259703OAI: oai:DiVA.org:kth-259703DiVA, id: diva2:1353093
Educational program
Master of Science in Engineering - Engineering Chemistry
Supervisors
Examiners
Available from: 2019-09-20 Created: 2019-09-20 Last updated: 2019-09-20Bibliographically approved

Open Access in DiVA

fulltext(4971 kB)7 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 4971 kBChecksum SHA-512
99cad34874db54184488408dfb7528378c2aecd00298d31949af1e8ce6d8a3f87f442214e49757affef20f890c7df85870b04ad67a334281e7b91ddb7344d142
Type fulltextMimetype application/pdf

By organisation
School of Engineering Sciences in Chemistry, Biotechnology and Health (CBH)
Chemical Sciences

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 7 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

urn-nbn

Altmetric score

urn-nbn
Total: 18 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf