Heavy-metal pollution and remediation of forest soil around the Harjavalta Cu-Ni smelter, in SW Finland

Abstract

0 AND 02 ADSORPTION ON Ag/Cu[100]

In this work the adsorption mechanisms of atomic and molecular oxygen on Cu(100) surface are studied using ab initio simulation methods. Through the atomistic scale under-standing of the elementary oxidation processes we can further understand the large-scale oxidation. Copper is a material widely used in industry which makes it an interesting subject, and also understanding the oxidation of copper helps us understand the oxidation mechanism of other metals. First we have a look on some theory on surface alloys in general and behaviour of Ag on Cu(100) surface. After that the physical background there is behind the methods of density functional calculations are discussed, and some methods, namely potential energy surfaces and molecular dynamics, are introduced. Then there is a brief look on the numerical details used in the calculations, and after that, the results of the simulations are exhibited.

Oxygen adsorption on Cu(510)

Tässä työssä on tutkittu kuparin (510)-askelpinnan reaktiivisuutta käyttäen apuna kvanttimekaanisia ab initio laskentamenetelmiä. Tutkimus on toteutettu laskemalla happiatomin adsorptioenergia ja tilatiheys erilaisissa potentiaalisissa adsorptiopaikoissa pinnalla. Myös happimolekyylin adsorptiota ja hajoamista ontarkasteltu laskemalla pintaa lähestyvälle molekyylille potentiaalienergiapintoja. Energiapintojen tuloksia on myös täydennetty kvanttimekaanisilla molekyylidynamiikkalaskuilla. Metallisia askelpintoja pidetään yleisesti sileitä pintoja reaktiivisempina happea kohtaan, johtuen askeleen reunan pienentävästä vaikutuksesta molekyylin hajoamisen tiellä olevaan energiavaliin. On kuitenkin olemassa myös tuloksia, jotka osoittavat hapen tarttumisprosessin olevan hallitseva juuri terassialueella, askeleen reunan sijasta. Tässä työssä on todettu hapen adsorboituvan Cu(510)-pinnalla tehokkaimmin juuri terassilla olevaan hollow-paikkaan. Myös adsorptioenergiat ovat tällä pinnalla pienempiä kuin sileällä (100)-pinnalla. Potentiaalienergiapintojen perusteella Cu(510)-pinnan todetaan myös olevan vähemmän reaktiivinen kuin askelpintojen yleisesti odotetaan olevan, vaikka askeleen reunan todetaankin pienentävän happiatominhajoamisen esteenä olevaa energiavallia.

Oxygen adsorption on Cu(211) and structurally and chemically modified Cu(100)

Kuparipinnan hapettuminen on viimevuosina ollut suosittu tutkimuskohde materiaalitieteissä kuparin laajan teollisuuskäytön vuoksi. Teollisuussovellusten, kuten suojaavien pintaoksidien kehittäminen vaatii kuitenkin syvällistä tuntemusta hapettumisprosessista ja toisaalta myös normaaliolosuhteissa materiaalissa esiintyvien hilavirheiden vaikutuksesta siihen. Tässä työssä keskitytäänkin tutkimaan juuri niitä mekanismeja, joilla erilaiset pintavirheet ja porrastettu pintarakenne vaikuttavathapen adsorptioprosessiin kuparipinnalla. Tutkimus on tehty käyttämällä laskennallisia menetelmiä sekä VASP- ja SIESTA-ohjelmistoja. Työssätutkittiin kemiallisia ja rakenteellisia virheitä Cu(100)-pinnalla, joka on reaktiivisin matalanMillerin indeksin pinta ja porrastetun pinnan tutkimuksessa käytettiin Cu(211)-pintaa, joka puolestaan on yksinkertainen, stabiili ja aiemmissa tutkimuksissa usein käytetty pintarakenne. Työssä tutkitut hilavirheet, adatomit, vähentävät molekyylin dissosiaatiota kuparipinnalla, kun taas vakanssit toimivat dissosiaation keskuksina. Kemiallisena epäpuhtautena käytetty hopeakerros ei estä kuparin hapettumista, sillä happi aiheuttaa mielenkiintoisen segregaatioilmiön, jossa hopeatyöntyy syvemmälle pinnassa jättäen kuparipinnan suojaamattomaksi. Porrastetulla pinnalla (100)-hollow on todennäköisin paikka molekyylin dissosiaatiolle, kun taas portaan bridge-paikka on suotuisin molekulaariselle adsorptiolle. Lisäksi kuparin steppipinnan todettiin olevan reaktiivisempi kuin tasaiset kuparipinnat.

Oxygen adsorption on clean and oxygen precovered Cu(100)

Kuparipinnan hapettumisen alkuvaiheet ovat vielä nykyisin tutkijoille epäselviä. Kuitenkin, jotta hapettumisprosessia voitaisiin säädellä, on sangen tärkeää ymmärtää mistä varsinainen hapettuminen lähtee liikkeelle ja mitkä ovat hapettumisen seuraavat vaiheet. Tähän kysymykseen haetaan vastauksia tässä työssä käyttäen puhtaasti teoreettisia menetelmiä pinnan käsittelyssä. Aikaisempien teoreettisten ja kokeellisten tutkimusten välillä on pieni ristiriita liittyen hapen tarttumistodennäköisyyteen. Teoreettisten tutkimusten mukaan happi ei puhtaalle pinnalle tullessaan näe potentiaalivallia, mutta kokeelliset tutkimukset osoittavat sellaisen kuitenkin olevan. Tuohon ristiriitaan pureudutaan käyttäen aikaisemmista laskuista poikkeavaa kvanttimekaaniseen molekyylidynamiikkaan perustuvaa lähestymistapaa. Työssä havaitaan, että aikaisemmin yleisesti käytetty menetelmä hukkaa huomattavan määrän tietoa ja siten tutkijat eivät voi ainoastaan tyytyä tarkastelemaan kyseisellä menetelmällä saatuja tuloksia. Kuparipinnalle havaittiin, että korkeilla molekyylin kineettisen energian arvolla aikaisemmin suoritetut laskut hajottavista trajektoreista pitävät paikkansa, mutta matalilla kineettisen energian arvoilla molekyyli kohtaa erittäin voimakkaan ``steering'' vaikutuksen ja trajektorit joiden piti olla hajottavia johtavatkin molekulaariseen adsorptioon. Kun hapen konsentraatio pinnalla on suurempi kuin 0.5 ML, pinta rekonstruoituu. Myös rekonstruktion jälkeistä pintaa on tutkittu samanlaisilla menetelmillä kuin puhdasta pintaa. Rekonstruoituneelle pinnalle ei löydetty hajottavia trajektoreita ja havaittiin, että hapelle annetun kineettisen energian matalilla arvoilla myös tässä tapauksessa on erittäin voimakas ``steering'' vaikutus.

Aqueous-phase reforming of renewables for selective hydrogen production in the presence of supported platinum catalysts

The evolution of our society is impossible without a constant progress in life-important areas such as chemical engineering and technology. Innovation, creativity and technology are three main components driving the progress of chemistry further towards a sustainable society. Biomass, being an attractive renewable feedstock for production of fine chemicals, energy-rich materials and even transportation fuels, captures progressively new positions in the area of chemical technology. Knowledge of heterogeneous catalysis and chemical technology applied to transformation of biomass-derived substances will open doors for a sustainable economy and facilitates the discovery of novel environmentally-benign processes which probably will replace existing technologies in the era of biorefinary. Aqueous-phase reforming (APR) is regarded as a promising technology for production of hydrogen and liquids fuels from biomass-derived substances such as C3-C6 polyols. In the present work, aqueous-phase reforming of glycerol, xylitol and sorbitol was investigated in the presence of supported Pt catalysts. The catalysts were deposited on different support materials, including Al2O3, TiO2 and carbons. Catalytic measurements were performed in a laboratory-scale continuous fixedbed reactor. An advanced analytical approach was developed in order to identify reaction products and reaction intermediates in the APR of polyols. The influence of the substrate structure on the product formation and selectivity in the APR reaction was also investigated, showing that the yields of the desired products varied depending on the substrate chain length. Additionally, the influence of bioethanol additive in the APR of glycerol and sorbitol was studied. A reaction network was advanced explaining the formation of products and key intermediates. The structure sensitivity in the aqueous-phase reforming reaction was demonstrated using a series of platinum catalysts supported on carbon with different Pt cluster sizes in the continuous fixed-bed reactor. Furthermore, a correlation between texture physico-chemical properties of the catalysts and catalytic data was established. The effect of the second metal (Re, Cu) addition to Pt catalysts was investigated in the APR of xylitol showing a superior hydrocarbon formation on PtRe bimetallic catalysts compared to monometallic Pt. On the basis of the experimental data obtained, mathematical modeling of the reaction kinetics was performed. The developed model was proven to successfully describe experimental data on APR of sorbitol with good accuracy.

Bio-ethanol valorization towards C4s including 1-butanol over metal modified alumina and zeolite catalysts

Bio-ethanol has been used as a fuel additive in modern society aimed at reducing CO2-emissions and dependence on oil. However, ethanol is unsuitable as fuel supplement in higher proportions due to its physico-chemical properties. One option to counteract the negative effects is to upgrade ethanol in a continuous fixed bed reactor to more valuable C4 products such as 1-butanol providing chemical similarity with traditional gasoline components. Bio-ethanol based valorization products also have other end-uses than just fuel additives. E.g. 1-butanol and ethyl acetate are well characterised industrial solvents and platform chemicals providing greener alternatives. The modern approach is to apply heterogeneous catalysts in the investigated reactions. The research was concentrated on aluminium oxide (Al2O3) and zeolites that were used as catalysts and catalyst supports. The metals supported (Cu, Ni, Co) gave very different product profiles and, thus, a profound view of different catalyst preparation methods and characterisation techniques was necessary. Additionally, acidity and basicity of the catalyst surface have an important role in determining the product profile. It was observed that ordinary determination of acid strength was not enough to explain all the phenomena e.g. the reaction mechanism. One of the main findings of the thesis is based on the catalytically active site which originates from crystallite structure. As a consequence, the overall evaluation of different by-products and intermediates was carried out by combining the information. Further kinetic analysis was carried out on metal (Cu, Ni, Co) supported self-prepared alumina catalysts. The thesis gives information for further catalyst developments aimed to scale-up towards industrially feasible operations.

First-principles study on electronic and structural properties of Cu(In/Ga)Se alloys for solar cells

Thin-film photovoltaic solar cells based on the Cu(In1−xGax)Se2 (CIGS) alloys have attracted more and more attention due to their large optical absorption coefficient, long term stability, low cost, and high efficiency. Modern theoretical studies of this material with first-principles calculations can provide accurate description of the electronic structure and yield results in close agreement with experimental values, but takes a large amount of calculation time. In this work, we use first-principles calculations based on the computationally affordable meta- generalized gradient approximation of the density-functional theory to investigate electronic and structural properties of the CIGS alloys. We report on the simulation of the lattice parameters and band gaps, as a function of chemical composition. The obtained results were found to be in a good agreement with the available experimental data.