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.

Key words： 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