Atomistic simulations of plasma catalytic processes

Abstract

There is currently a growing interest in the realisation and optimization of hybrid plasma/catalyst systems for a multitude of applications, ranging from nanotechnology to environmental chemistry. In spite of this interest, there is, however, a lack in fundamental understanding of the underlying processes in such systems. While a lot of experimental research is already being carried out to gain this understanding, only recently the first simulations have appeared in the literature. In this contribution, an overview is presented on atomic scale simulations of plasma catalytic processes as carried out in our group. In particular, this contribution focusses on plasma-assisted catalyzed carbon nanostructure growth, and plasma catalysis for greenhouse gas conversion. Attention is paid to what can routinely be done, and where challenges persist.

Graphical abstract

Keywords

atomic scale simulation / plasma-catalyst

References

[1] Devins J C, Burton M. Formation of hydrazine in electric discharge decomposition of ammonia. Journal of the American Chemical Society, 1954, 76(10): 2618–2626 

[2] Henis J M. Nitrogen oxide decomposition process. US Patent 3983021, 1976

[3] Neyts E C, Ostrikov K, Sunkara M K, Bogaerts A. Plasma catalysis: Synergistic effects at the nanoscale. Chemical Reviews, 2015, 115(24): 13408–13446 

[4] Russ H, Neiger M, Lang J E. Simulation of micro discharges for the optimization of energy requirements for removal of NO_x from exhaust gases. IEEE Transactions on Plasma Science, 1999, 27(1): 38–39 

[5] Chang J S, Kostov K G, Urashima K, Yamamoto T, Okayasu Y, Kato T, Iwaizumi T, Yoshimura K. Removal of NF₃ from semiconductor-process flue gases by tandem packed-bed plasma and adsorbent hybrid systems. IEEE Transactions on Industry Applications, 2002, 36(5): 1251–1259 

[6] Whitehead J C. Plasma-catalysis the known knowns, the known unknowns and the unknown unknowns. Journal of Physics. D, Applied Physics, 2016, 49(24): 243001 

[7] Neyts E C, Bogaerts A. Understanding plasma catalysis through modelling and simulation—a review. Journal of Physics. D, Applied Physics, 2014, 47(22): 224010 

[8] Voter A F. Parallel replica method for dynamics of infrequent events. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 1998, 57(22): R13985–R13988 

[9] Perez D, Uberuaga B P, Voter A F. The parallel replica dynamics method—coming of age. Computational Material Science, 2015, 100, part B, 90–103

[10] Voter A F. A method for accelerating the molecular dynamics simulation of infrequent events. Journal of Chemical Physics, 1997, 106(11): 4665–4677 

[11] Voter A F. Hyperdynamics: Accelerated molecular dynamics of infrequent events. Physical Review Letters, 1997, 78(20): 3908–3911 

[12] Sörensen M R, Voter A F. Temperature-accelerated dynamics simulation of infrequent events. Journal of Chemical Physics, 2000, 112: 9599 

[13] Montalenti F, Voter A F. Exploiting past visits or minimum barrier knowledge to gain further boost in the temperature-accelerated dynamics method. Journal of Chemical Physics, 2002, 116(12): 4819 

[14] Bal K M, Neyts E C. Merging metadynamics into hyperdynamics: Accelerated molecular simulations reaching time scales from microseconds to seconds. Journal of Chemical Theory and Computation, 2015, 11(10): 4545–4554 

[15] Bal K M, Neyts E C. Direct observation of realistic-temperature fuel combustion mechanisms in atomistic simulations. Chemical Science (Cambridge), 2016, 7(8): 5280–5286 

[16] Fu C D, Oliveira L F L, Pfaendtner J. Assessing generic collective variables for determining reaction rates in metadynamics simulations. Journal of Chemical Theory and Computation, 2017, 13(3): 968–973 

[17] Neyts E C, Brault P. Molecular dynamics simulations for plasma-surface interactions. Plasma Processes and Polymers, 2016, 14(1-2): 1600145

[18] Shibuta Y, Maruyama S. Molecular dynamics simulation of formation process of single-walled carbon nanotubes by CCVD method. Chemical Physics Letters, 2003, 382(3-4): 381–386 

[19] Ding F, Bolton K, Rosén A. Nucleation and growth of single-walled carbon nanotubes: A molecular dynamics study. Journal of Physical Chemistry B, 2004, 108(45): 17369–17377 

[20] Neyts E C, Shibuta Y, van Duin A C T, Bogaerts A. Catalyzed growth of carbon nanotube with definable chirality by hybrid molecular dynamics—force biased Monte Carlo simulations. ACS Nano, 2010, 4(11): 6665–6672 

[21] Page A J, Yamane H, Ohta Y, Irle S, Morokuma K. QM/MD simulation of SWNT nucleation on transition-metal carbide nanoparticles. Journal of the American Chemical Society, 2010, 132(44): 15699–15707 

[22] Amara H, Bichara C, Ducastelle F. Understanding the nucleation mechanisms of carbon nanotubes in catalytic chemical vapor deposition. Physical Review Letters, 2008, 100(5): 056105 

[23] Zhao J, Martinez-Limia A, Balbuena P B. Understanding catalysed growth of single-wall carbon nanotubes. Nanotechnology, 2005, 16(7): S575–S581 

[24] Khalilov U, Bogaerts A, Neyts E C. Atomic scale simulation of carbon nanotube nucleation from hydrocarbon precursors. Nature Communications, 2015, 6: 10306 

[25] Elliott J A, Shibuta Y, Amara H, Bichara C, Neyts E C. Atomistic modelling of CVD synthesis of carbon nanotubes and graphene. Nanoscale, 2013, 5(15): 6662–6676 

[26] Page A J, Ding F, Irle S, Morokuma K. Insights into carbon nanotube and graphene formation mechanisms from molecular simulations: A review. Reports on Progress in Physics, 2015, 78(3): 036501 

[27] Neyts E C. PECVD growth of carbon nanotubes: From experiment to simulation. Journal of Vacuum Science & Technology B Microelectronics and Nanometer Structures, 2012, 30: 030803

[28] Meyyappan M. A review of plasma enhanced chemical vapour deposition of carbon nanotubes. Journal of Physics. D, Applied Physics, 2009, 42(21): 213001 

[29] Diega G G, Gilbert D M, Javier A, Perla B B. Dynamic evolution of supported metal nanocatalyst/carbon structure during single-walled carbon nanotube growth. ACS Nano, 2012, 6(1): 720–735 

[30] Diarra M, Zappelli A, Amara H, Ducastelle F, Bichara C. Importance of carbon solubility and wetting properties of nickel nanoparticles for single wall nanotube growth. Physical Review Letters, 2012, 109(18): 185501 

[31] Neyts E C, van Duin A C T, Bogaerts A. Insights in the plasma assisted growth of carbon nanotubes through atomic scale simulations: Effect of electric field. Journal of the American Chemical Society, 2012, 134(2): 1256–1260 

[32] Mees M J, Pourtois G, Neyts E C, Thijsse B J, Stesmans A. Uniform-acceptance force-bias Monte Carlo method with time scale to study solid-state diffusion. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2012, 85(13): 134301

[33] Bal K M, Neyts E C. On the time scale associated with Monte Carlo simulations. Journal of Chemical Physics, 2014, 141(20): 204104 

[34] Timonova M, Groenewegen J, Thijsse B J. Modeling diffusion and phase transitions by a uniform-acceptance force-bias Monte Carlo method. Physical Review B: Condensed Matter and Materials Physics, 2010, 81(14): 144107 

[35] Neyts E C, Bogaerts A. Combining molecular dynamics with Monte Carlo simulations: Implementations and applications. Theoretical Chemistry Accounts, 2013, 132(2): 1320 

[36] Neyts E C, Thijsse B J, Mees M J, Bal K M, Pourtois G. Establishing uniform acceptance in force biased Monte Carlo simulations. Journal of Chemical Theory and Computation, 2012, 8(6): 1865–1869 

[37] Neyts E C, van Duin A C T, Bogaerts A. Changing chirality during single-walled carbon nanotube growth: A reactive molecular dynamics/Monte Carlo study. Journal of the American Chemical Society, 2011, 133(43): 17225–17231

[38] Kato T, Hatakeyama R. Formation of freestanding single-walled carbon nanotubes by plasma-enhanced CVD. Chemical Vapor Deposition, 2006, 12(6): 345–352 

[39] Nozaki T, Karatsu T, Ohnishi K, Okazaki K. A pressure-dependent selective growth of single-walled and multi-walled carbon nanotubes using plasma enhanced chemical vapor deposition. Carbon, 2010, 48(1): 232–238 

[40] Neyts E C. On the role of ions in plasma catalytic carbon nanotube growth: A review. Frontiers of Chemical Science and Engineering, 2015, 9(2): 154–162 

[41] Neyts E C, Ostrikov K, Han Z J, Kumar S, van Duin A C T, Bogaerts A. Defect healing and enhanced nucleation of carbon nanotubes by low-energy ion bombardment. Physical Review Letters, 2013, 110(6): 065501 

[42] Neyts E C, Bogaerts A. Ion irradiation for improved graphene network formation in carbon nanotube growth. Carbon, 2014, 77: 790–795 

[43] Shariat M, Hosseini S I, Shokri B, Neyts E C. Plasma enhanced growth of single walled carbon nanotubes at low temperature: A reactive molecular dynamics simulation. Carbon, 2013, 65: 269–276 

[44] Shariat M, Shokri B, Neyts E C. On the low-temperature growth mechanism of single walled carbon nanotubes in plasma enhanced chemical vapor deposition. Chemical Physics Letters, 2013, 590: 131–135 

[45] Chen H L, Lee H M, Chen S H, Chao Y, Chang M B. Review of plasma catalysis on hydrocarbon reforming for hydrogen production—interaction, integration and prospects. Applied Catalysis B: Environmental, 2008, 85(1-2): 1–9 

[46] Van Durme J, Dewulf J, Leys C, Van Langenhove H. Combining non-thermal plasma with heterogeneous catalysis in waste gas treatment: A review. Applied Catalysis B: Environmental, 2008, 78(3-4): 324–333 

[47] Kim H H, Ogata A. Nonthermal plasma activates catalyst: From current understanding and future prospects. European Physical Journal Applied Physics, 2001, 55(1): 13806 

[48] Zhang Y R, Van Laer  K, Neyts E C, Bogaerts A. Can plasma be formed in catalyst pores? A modeling investigation. Applied Catalysis B: Environmental, 2016, 185: 56–67 

[49] Zhang Y R, Neyts E C, Bogaerts A. Influence of the material dielectric constant on plasma generation inside catalyst pores. Journal of Physical Chemistry C, 2016, 120(45): 25923–25934 

[50] Van Laer K, Bogaerts A. Fluid modelling of a packed bed dielectric barrier discharge plasma reactor. Plasma Sources Science & Technology, 2016, 25(1): 015002 

[51] Van Laer K, Bogaerts A. Improving the conversion and energy efficiency of carbon dioxide splitting in a zirconia-packed dielectric barrier discharge reactor. Energy Technology (Weinheim), 2015, 3(10): 1038–1044 

[52] Zhang Y, Wang H Y, Jiang W, Bogaerts A. Two-dimensional particle-in-cell/Monte Carlo simulations of a packed-bed dielectric barrier discharge in air at atmospheric pressure. New Journal of Physics, 2015, 17(8): 083056 

[53] Neyts E C, Bal K M. Effect of electric fields on plasma catalytic hydrocarbon oxidation from atomistic simulations. Plasma Processes and Polymers, 2017, 14(6): e1600158 doi:10.1002/ppap.201600158

[54] Somers W, Bogaerts A, van Duin A C T, Neyts E C. Plasma species interacting with nickel surfaces: Towards an atomic scale understanding of plasma-catalysis. Journal of Physical Chemistry C, 2012, 116(39): 20958–20965 

[55] Somers W, Bogaerts A, van Duin A C T, Huygh S, Bal K M, Neyts E C. Temperature influence on the reactivity of plasma species on a nickel catalyst surface: An atomic scale study. Catalysis Today, 2014, 211: 131–136 

[56] Somers W, Bogaerts A, van Duin A C T, Neyts E C. Interactions of plasma species on nickel catalysts: A reactive molecular dynamics study on the influence of temperature and surface structure. Applied Catalysis B: Environmental, 2014, 154-155: 1–8 

[57] Neyts E C. Plasma-surface interactions in plasma catalysis. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2016, 36(1): 185–212 

[58] Halonen L, Bernasek S L, Nesbitt D J. Reactivity of vibrationally excited methane on nickel surfaces. Journal of Chemical Physics, 2001, 115(12): 5611–5619 

[59] Jackson B, Nave S. The dissociative chemisorption of methane on Ni(111): The effects of molecular vibration and lattice motion. Journal of Chemical Physics, 2013, 138(17): 174705 

[60] Shirazi M, Neyts E C, Bogaerts A. DFT study of Ni-catalyzed plasma dry reforming of methane. Applied Catalysis B: Environmental, 2017, 205: 605–614 

[61] Huygh S, Neyts E C. Adsorption of C and CH_x radicals on anatase (001) and the influence of oxygen vacancies. Journal of Physical Chemistry C, 2015, 119(9): 4908–4921 

[62] Huygh S, Bogaerts A, Neyts E C. How oxygen vacancies activate CO₂ dissociation on TiO₂ anatase (001). Journal of Physical Chemistry C, 2016, 120(38): 21659–21669 

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany