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 omgezet worden in lichte olefines, zoals etheen en propeen, die cruciale basiscomponenten vormen voor onze huidige chemische industrie. 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.

Het onderliggende reactiemechanisme van het MTO-proces is zeer complex en bestaat uit verschillende katalytische cycli die simultaan optreden. Na vele jaren van onderzoek is duidelijk geworden dat de eigenlijke omzetting van methanol naar olefines verloopt via het zogenaamde hydrocarbon pool model, waarbij aromatische of alifatische koolwaterstoffen de rol spelen van co-katalysator. De precieze aard van de hydrocarbon pool species en van de optredende katalytische cycli hangt af van de zeolieteigenschappen – zoals de zuursterkte – waardoor verschillende katalysatoren een verschillende MTO-activiteit en productselectiviteit vertonen.

Onderzoek naar factoren die de olefinevorming beinvloeden is bijzonder relevant en is cruciaal voor de verdere optimalisatie van het MTO-proces. Large-pore katalysatoren zoals H-SAPO-5 en H-SSZ-24, beiden met de AFI topologie (Figuur 1), zijn interessante materialen voor het verdere MTO-onderzoek. Door hun verschillende chemische samenstelling vertonen ze een verschillende zuursterkte. Er zijn experimentele aanwijzingen dat twee katalytische cycli actief zijn in deze materialen (Figuur 2). Welk van de twee dominant is, wordt bepaald door de zuursterkte van het materiaal. Bijgevolg heeft de zuursterkte ook een belangrijke invloed op de productselectiviteit van de methanolconversie.

Het doel van deze thesis is het modelleren van cruciale reactiestappen in de methanolconversie in H-SAPO-5 en H-SSZ-24 om zo de invloed van de zuursterkte te kunnen inschatten. Na het uitvoeren van een grondige literatuurstudie, zullen geavanceerde kwantummechanische berekeningen uitgevoerd worden waarbij het volledige zeolietmateriaal in rekening gebracht wordt. Er kan verder gebouwd worden op recent modelleringswerk, waarbij reeds de adsorptie van reactanten bestudeerd werd. Dit aspect dient verder uitgediept te worden, maar de methodologische basis is reeds gekend. De nadruk van de simulaties zal steeds liggen op het berekenen van accurate chemische kinetiek d.m.v. ab initio technieken. Recent werden waardevolle experimenten uitgevoerd die als leidraad zullen dienen voor het opstellen van de simulaties. 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. Dit thesisonderwerp verloopt in samenwerking met een experimentele onderzoeksgroep, waardoor experimentele input voorhanden is en tevens directe validatie van de bekomen resultaten mogelijk is. Het voorgestelde onderzoekswerk is uitdagend en afwisselend, en vereist zowel technische vaardigheden als creativiteit en chemisch inzicht.