Doktorsvörn í eðlisfræði - Muhammad Awais

Streymi:
https://eu01web.zoom.us/j/67553482472

Doktorsefni:
Muhammad Awais

Heiti ritgerðar:
Rannsóknir á hentugum efnahvötum fyrir rafefnafræðilega afoxun á CO2 til framleiðslu á rafeldsneyti

Andmælendur:
Dr. Karoliina Honkala, prófessor í efnafræði við Háskólann í Jyväskylä í Finnlandi
Dr. Maryam Abdinejad, aðstoðarprófessor við Orkufræðideild Tækniháskólann í Danmörku (DTU)

Leiðbeinandi:
Dr. Younes Abghoui, rannsóknadósent, Raunvísindastofnun, Háskóli Íslands (doktorsleiðbeinandi)
Dr. Einar Örn Sveinbjörnsson, prófessor, Raunvísindadeild Háskóla Íslands (umsjónarkennnari)

Einnig í doktorsnefnd:
Háskóli Íslands Dr. Egill Skúlason, prófessor, Iðnaðarverkfræði-, vélaverkfræði- og tölvunarfræðideild Háskóla Íslands

Doktorsvörn stýrir:
Dr. Birgir Hrafnkelsson, prófessor og deildarforseti Raunvísindadeildar HÍ

Ágrip:
Núverandi alþjóðlegar orku- og umhverfisáskoranir má líta á sem samspil þriggja tengdra þátta: notkun jarðefnaeldsneytis, koltvísýringslosun (CO2) og hlýnun jarðar. Orkunotkun heimsins byggist enn að mestu á jarðefnaeldsneyti, sem veldur verulegri CO2 losun og raskar loftslagsjafnvægi. Hagnýtasta lausnin til að takast á við þetta er þó að sjá CO2 sem auðlind og umbreyta áskoruninni í tækifæri til vistfræðilegrar endurheimtar með því að nota CO2 til að framleiða vistvænt og sjálfbært eldsneyti. Þannig er hægt að breyta CO2 í umhverfisvænt og verðmætt efni, stuðla að minni losun gróðurhúsalofttegunda og sjálfbærri orkuframleiðslu. Lausn við þessari áskorun er hugsanlega að finna innan rafefnafræði með rafefnafræðilegri afoxun CO2 (CO2RR) þar sem hægt er að nýta endurnýjanlega orku (t.d. sólarorku eða vindorku) til að framleiða rafmagn til að knýja afoxun CO2 í vistvænt eldsneyti við herbergishita og loftþrýsting. Áhugaverð myndefni eru meðal annars kolefnismonoxíð, maurasýra, metanól, metan, methanediol, etýlen, etan og etanól. Hagnýt notkun hefðbundinna málmefnahvata eins og kopars er þó takmörkuð vegna lítillar virkni þeirra og einnig myndast mörg myndefni sem erfitt er að aðskilja. Í mörgum tilfellum umbreyta þessir hvatar CO2 aðallega í CO eða maurasýru, en myndun frekara afoxaðra myndefna eins og metanóls eða metans eða myndefna með fleiri en eitt kolefni (C1, C2 o.s.frv.) krefst meiri orku og sýnir oft takmarkaða skilvirkni. Einnig er samkeppnishvarfið við vetnismyndun mikil áskorun. Því gæti rafefnafræðileg afoxun kolefnismonoxíðs (CORR) í stað CO2RR verið lausn til að takast á við það vandamál. Þess vegna beinist þessi doktorsritgerð að könnun þessara tveggja rannsóknaþátta til að finna skilvirkari og sértækari leiðir til sjálfbærrar kolefnisumbreytingar með bæði CO2RR og CORR. Í þessari ritgerð er í fyrsta sinn innan efnaeðlisfræði og hvatafræði rannsakað nýtt yfirborð hvata með sérstökum misleitum efnahvötum gerðum úr málm og málmleysingjum, samsett úr mismunandi hliðarmálmum, kolefni og köfnunarefni, eða svokölluð málmkolefníssítríð (transition metal carbonitrides, TMCNs). Tölvureikningar byggðir á þéttnifellafræði (density functional theory, DFT) með Vienna Ab initio Simulation Package (VASP) voru notaðir til að rannsaka þessi yfirborð fyrir bæði CO2RR og CORR. Þessir tölvureikningar rannsökuðu 33 mismunandi hvatayfirborð, ellefu TMCN í (100), (111) og (110) yfirborðsflötum, til að spá fyrir um hvatahegðun þeirra varðandi myndun C1 og C2 afurða. Enn fremur voru gerðar ítarlegar tölvugreiningar á hegðun mismunandi TMCN við ýmsar rafefnafræðilegar aðstæður með ásogaðri CO-hulu á yfirborði. Hvatarframmistaða var rannsökuð með hefðbundnum hvarfgangi sem og Mars van Krevelen (MvK) hvarfgangi og yfir 2000 hvarfleiðir voru skoðaðar til að bera kennsl á varmafræðilega hagstæðustu leiðirnar og spá fyrir um bestu TMCN efnin fyrir skilvirka kolefnisumbreytingu og stýringu. Í greiningu á hvatarvirkni reyndist TMCN(110) bjóða upp á hæstu virkni fyrir bæði CO2RR og CORR með MvK hvarfganginum. Með hefðbundnum hvarfgangi reyndist TMCN(111) vera virkast fyrir CO2RR, á meðan TMCN(100) var best fyrir CORR, og TMCN(111) óvirkt gagnvart CORR. Að lokum veitir þessi ritgerð heildstætt fræðilegt mat á TMCN efnahvötum og býður upp á traustar spár um notagildi þeirra við umbreytingu kolefnis í grænt eldsneyti, og með því stuðlar að lausn á mikilvægum umhverfis- og sjálfbærnisvandamálum.

Um doktorsefnið:
Muhammad Awais lauk BS námi í eðlisfræði við háskólann í Lahore í Pakistan árið 2019 með áherslu á eðlisfræði þéttefnis. Hann lauk síðan MPhil gráðu í eðlisfræði við ríkisháskólann í Lahore í Pakistan árið 2022 með áherslu á reiknieðlisfræði. Hann hóf doktorsnám í eðlisfræði við Háskóla Íslands árið 2023.