Atomistic simulations of plasma catalytic processes

Erik C. Neyts

PDF(394 KB)
PDF(394 KB)
Front. Chem. Sci. Eng. ›› 2018, Vol. 12 ›› Issue (1) : 145-154. DOI: 10.1007/s11705-017-1674-7
RESEARCH ARTICLE

Atomistic simulations of plasma catalytic processes

Author information +
History +

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

Cite this article

Download citation ▾
Erik C. Neyts. Atomistic simulations of plasma catalytic processes. Front. Chem. Sci. Eng., 2018, 12(1): 145‒154 https://doi.org/10.1007/s11705-017-1674-7

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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[4]
Russ H, Neiger M, Lang J E. Simulation of micro discharges for the optimization of energy requirements for removal of NOx from exhaust gases. IEEE Transactions on Plasma Science, 1999, 27(1): 38–39 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[11]
Voter A F. Hyperdynamics: Accelerated molecular dynamics of infrequent events. Physical Review Letters, 1997, 78(20): 3908–3911 
CrossRef Google scholar
[12]
Sörensen M R, Voter A F. Temperature-accelerated dynamics simulation of infrequent events. Journal of Chemical Physics, 2000, 112: 9599 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[17]
Neyts E C, Brault P. Molecular dynamics simulations for plasma-surface interactions. Plasma Processes and Polymers, 2016, 14(1-2): 1600145
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[23]
Zhao J, Martinez-Limia A, Balbuena P B. Understanding catalysed growth of single-wall carbon nanotubes. Nanotechnology, 2005, 16(7): S575–S581 
CrossRef Google scholar
[24]
Khalilov U, Bogaerts A, Neyts E C. Atomic scale simulation of carbon nanotube nucleation from hydrocarbon precursors. Nature Communications, 2015, 6: 10306 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[33]
Bal K M, Neyts E C. On the time scale associated with Monte Carlo simulations. Journal of Chemical Physics, 2014, 141(20): 204104 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[35]
Neyts E C, Bogaerts A. Combining molecular dynamics with Monte Carlo simulations: Implementations and applications. Theoretical Chemistry Accounts, 2013, 132(2): 1320 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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
CrossRef Google scholar
[38]
Kato T, Hatakeyama R. Formation of freestanding single-walled carbon nanotubes by plasma-enhanced CVD. Chemical Vapor Deposition, 2006, 12(6): 345–352 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[42]
Neyts E C, Bogaerts A. Ion irradiation for improved graphene network formation in carbon nanotube growth. Carbon, 2014, 77: 790–795 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[57]
Neyts E C. Plasma-surface interactions in plasma catalysis. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2016, 36(1): 185–212 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar
[61]
Huygh S, Neyts E C. Adsorption of C and CHx radicals on anatase (001) and the influence of oxygen vacancies. Journal of Physical Chemistry C, 2015, 119(9): 4908–4921 
CrossRef Google scholar
[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 
CrossRef Google scholar

RIGHTS & PERMISSIONS

2017 Higher Education Press and Springer-Verlag GmbH Germany
AI Summary AI Mindmap
PDF(394 KB)

Accesses

Citations

Detail

Sections
Recommended

/