De hoge olieprijzen en eindige oliereserves zijn een bijzonder actueel thema en stimuleren het onderzoek naar het gebruik van alternatieve grondstoffen, zoals aardgas, steenkool en biomassa. In deze context werd er de laatste jaren veel aandacht besteed aan het gebruik van methanol dat gevormd kan worden uit deze alternatieve grondstoffen. Methanol kan immers geconverteerd worden tot industrieel relevante bouwstenen, zoals kleine koolwaterstoffen. De eigenlijke omzetting van methanol naar olefines (methanol-to-olefins of MTO) gebeurt m.b.v. zure microkristallijne materialen, nl. zeolieten of zeotype materialen. Deze materialen beschikken over een netwerk van kanalen en poriën waarbinnen kleine moleculen kunnen diffunderen en reageren.

H-SAPO-34 is een ideale MTO katalysator door zijn hoge selectiviteit naar etheen en propeen. Zowel voor industriele toepassingen, als voor onderzoeksdoeleinden wordt H-SAPO-34 veelvuldig aangewend. In deze katalysator cokatalyseren aanwezige gemethyleerde benzeenmoleculen, de zogenaamde hydrocarbon pool species, de MTO conversie. In werkelijkheid zijn verschillende katalytische cycli simultaan werkzaam tijdens de olefinevorming, waardoor dit proces erg complex is. Moleculaire simulaties bieden een krachtige en noodzakelijke tool om tot gedetailleerde inzichten te komen in een dergelijk complex proces (Figuur 1).

Figuur 1: Moleculaire simulaties werken als een microscoop voor een complex industrieel proces.

Tijdens de methanolconversie is water een belangrijk bijproduct. Bovendien is water ook een bijproduct van de productie van methanol uit syngas (een mengsel van H2 en CO). Wanneer water een positief effect zou hebben op het MTO proces, dan kan een dure water-alcohol scheidingsoperatie vermeden worden, wat een economisch voordeel oplevert voor het proces. Vanuit dit standpunt is het dus relevant om de precieze invloed van het voeden van water-methanol mengsels tijdens de MTO conversie op moleculaire schaal te doorgronden (Figuur 2).

Figuur 2: De invloed van het voeden van water-methanol mengsels in H-SAPO-34 op individuele MTO-reacties is tot op heden niet volledig doorgrond.

Doelstelling Het doel van deze thesis is het modelleren van methanoladsorptie en enkele cruciale reactiestappen van de methanolconversie in H-SAPO-34, in aanwezigheid van water. De nadruk van de simulaties zal liggen op het berekenen van accurate chemische kinetiek d.m.v. ab initio technieken. De simulaties zullen gebeuren a.d.h.v. periodieke eenheidscellen, zodat de nanoporeuze omgeving zo realitstisch mogelijk in rekening wordt gebracht. Een nauwe samenwerking met een experimentele onderzoeksgroep garandeert waardevolle input voor het opstellen van de modellen. Bovendien zullen de simulaties gevalideerd worden aan de hand van de experimentele resultaten. In deze thesis zal gebruik gemaakt worden van recent ontwikkelde modelleringstechnieken waarbij ondermeer rekening gehouden wordt met de flexibiliteit van de katalysator en de werkelijke reactietemperatuur om zo tot realistische modellen te komen. Het Centrum voor Moleculaire Modellering heeft reeds veel ervaring met het modelleren van reacties in nanoporeuze katalysatoren en beschikt over de nodige computerinfrastructuur om het onderzoek aan dergelijke grote en complexe materialen - die zowel wetenschappelijk als industrieel relevant zijn - mogelijk te maken. Het voorgestelde onderzoekswerk is uitdagend en afwisselend, en vereist zowel technische vaardigheden als creativiteit en chemisch inzicht.