De hoge olieprijzen en eindige oliereserves zijn een zeer actueel thema en stimuleren het onderzoek naar het gebruik van alternatieve grondstoffen, zoals aardgas, steenkool en biomassa. De laatste jaren werd 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, waardoor verschillende katalysatoren een verschillende MTO-activiteit en productselectiviteit vertonen.

De zoektocht naar reactieroutes die leiden tot de vorming van specifieke olefines blijft zeer uitdagend, en is cruciaal voor de verdere optimalisatie van het MTO-proces. Tot nu toe werden nog maar weinig studies uitgevoerd op large-pore katalysatoren met lage zuursterkte zoals H-SAPO-5 met de AFI topologie (Figuur 1). In deze katalysator blijken propeen en isobuteen de voornaamste producten te zijn van methanolconversie. Bovendien zijn er experimentele aanwijzingen dat deze twee producten via verschillende reactiemechanismen worden gevormd (Figuur 2).

Het doel van deze thesis is het opstellen en modelleren van nieuwe reactieroutes die leiden tot het afsplitsen van olefines in H-SAPO-5. De chemische kinetiek van de nieuwe reactieroutes zal berekend worden via ab initio simulaties. Recent werden enkele waardevolle experimenten uitgevoerd die als leidraad zullen dienen voor de ontrafeling van nieuwe mechanismes aan de hand van verscheidene recent ontwikkelde modelleringstechnieken. Hierbij zal ondermeer rekening gehouden worden 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. Er is geen voorkennis van kwantumfysische computerpakketten vereist, geїnteresseerde studenten krijgen de nodige opleiding hieromtrent.