Please wait a minute...
Frontiers of Chemical Science and Engineering

ISSN 2095-0179

ISSN 2095-0187(Online)

CN 11-5981/TQ

Postal Subscription Code 80-969

2018 Impact Factor: 2.809

Front. Chem. Sci. Eng.    2018, Vol. 12 Issue (1) : 145-154    https://doi.org/10.1007/s11705-017-1674-7
RESEARCH ARTICLE
Atomistic simulations of plasma catalytic processes
Erik C. Neyts()
Research Group PLASMANT, Department of Chemistry, University of Antwerp, Universiteitsplein 1, 2610 Wilrijk-Antwerp, Belgium
 Download: PDF(394 KB)   HTML
 Export: BibTeX | EndNote | Reference Manager | ProCite | RefWorks
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.

Keywords atomic scale simulation      plasma-catalyst     
Corresponding Author(s): Erik C. Neyts   
Just Accepted Date: 04 July 2017   Online First Date: 08 November 2017    Issue Date: 26 February 2018
 Cite this article:   
Erik C. Neyts. Atomistic simulations of plasma catalytic processes[J]. Front. Chem. Sci. Eng., 2018, 12(1): 145-154.
 URL:  
https://academic.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-017-1674-7
https://academic.hep.com.cn/fcse/EN/Y2018/V12/I1/145
Fig.1  Effect of adding an electric field to the Ni-catalyzed CNT growth. (a) Vertical nucleation is observed in the E-field range 300?800 kV/cm; (b) charge separation in the Ni/C nanocluster. Reproduced with permission from ACS [31]
Fig.2  (a) Observed defect healing and enhanced cap formation by ion bombardment in the energy range 15?25 eV and destruction of the network at higher energies (>30 eV); (b) growth of the carbon network due to the ion bombardment at 15 eV, as seen in the MD simulations. The numbers in parentheses indicate the sum of the pentagons, hexagons and heptagons; the other numbers indicate the total number of rings in the patch. Reproduced with permission from [41]
Fig.3  Contribution of carbon atoms in the CNT network due to surface diffusion (SD) and bulk diffusion (BD), in ion-assisted growth. Reproduced with permission from [44]
Fig.4  Scatter plot of the time to first methanol to formaldehyde conversion in ms. Reproduced with permission from [53]
Fig.5  Effect of vibrational excitation of CH4 molecules on a Ni(111) surface. (a) Comparison between simulated and experimental adsorption probability for CH4 in the ground state as a function of the kinetic energy; (b) comparison between simulated and experimental adsorption probability for CH4 excited in the ν3 state as a function of the kinetic energy; (c) comparison of the simulated adsorption probability between CH4 in the ground state and in the ν3 state, as function of the translational energy
Fig.6  Reduction in activation energy for associative desorption of methanol due to an increase of the H-coverage. Side view and top view of H-transfer (pink atom) to previously formed CH2OH fragments are shown in the insets for a coverage of 0.75 ML of H. The associative desorption of methanol (side view) will cause the associated H diffusion at the surface (green atoms). Reproduced with permission from [60]
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 
https://doi.org/10.1021/ja01639a006
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 
https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00362
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 
https://doi.org/10.1109/27.763019
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 
https://doi.org/10.1109/28.871272
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 
https://doi.org/10.1088/0022-3727/49/24/243001
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 
https://doi.org/10.1088/0022-3727/47/22/224010
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 
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.57.R13985
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 
https://doi.org/10.1063/1.473503
11 Voter A F. Hyperdynamics: Accelerated molecular dynamics of infrequent events. Physical Review Letters, 1997, 78(20): 3908–3911 
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.78.3908
12 Sörensen M R, Voter A F. Temperature-accelerated dynamics simulation of infrequent events. Journal of Chemical Physics, 2000, 112: 9599 
https://doi.org/10.1063/1.481576
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 
https://doi.org/10.1063/1.1449865
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 
https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5b00597
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 
https://doi.org/10.1039/C6SC00498A
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 
https://doi.org/10.1021/acs.jctc.7b00038
17 Neyts E C, Brault P. Molecular dynamics simulations for plasma-surface interactions. Plasma Processes and Polymers, 2016, 14(1-2): 1600145
https://doi.org/10.1007/s11090-015-9662-5
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 
https://doi.org/10.1016/j.cplett.2003.10.080
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 
https://doi.org/10.1021/jp046645t
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 
https://doi.org/10.1021/nn102095y
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 
https://doi.org/10.1021/ja106264q
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 
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.056105
23 Zhao J, Martinez-Limia A, Balbuena P B. Understanding catalysed growth of single-wall carbon nanotubes. Nanotechnology, 2005, 16(7): S575–S581 
https://doi.org/10.1088/0957-4484/16/7/035
24 Khalilov U, Bogaerts A, Neyts E C. Atomic scale simulation of carbon nanotube nucleation from hydrocarbon precursors. Nature Communications, 2015, 6: 10306 
https://doi.org/10.1038/ncomms10306
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 
https://doi.org/10.1039/c3nr01925j
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 
https://doi.org/10.1088/0034-4885/78/3/036501
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 
https://doi.org/10.1088/0022-3727/42/21/213001
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 
https://doi.org/10.1021/nn204215c
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 
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.109.185501
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 
https://doi.org/10.1021/ja2096317
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
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.134301
33 Bal K M, Neyts E C. On the time scale associated with Monte Carlo simulations. Journal of Chemical Physics, 2014, 141(20): 204104 
https://doi.org/10.1063/1.4902136
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 
https://doi.org/10.1103/PhysRevB.81.144107
35 Neyts E C, Bogaerts A. Combining molecular dynamics with Monte Carlo simulations: Implementations and applications. Theoretical Chemistry Accounts, 2013, 132(2): 1320 
https://doi.org/10.1007/s00214-012-1320-x
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 
https://doi.org/10.1021/ct2008268
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
https://doi.org/10.1021/ja204023c
38 Kato T, Hatakeyama R. Formation of freestanding single-walled carbon nanotubes by plasma-enhanced CVD. Chemical Vapor Deposition, 2006, 12(6): 345–352 
https://doi.org/10.1002/cvde.200506451
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 
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2009.09.010
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 
https://doi.org/10.1007/s11705-015-1515-5
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 
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.065501
42 Neyts E C, Bogaerts A. Ion irradiation for improved graphene network formation in carbon nanotube growth. Carbon, 2014, 77: 790–795 
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2014.05.083
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 
https://doi.org/10.1016/j.carbon.2013.08.025
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 
https://doi.org/10.1016/j.cplett.2013.10.061
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 
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2008.06.021
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 
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2007.09.035
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 
https://doi.org/10.1051/epjap/2011100444
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 
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2015.12.009
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 
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b09038
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 
https://doi.org/10.1088/0963-0252/25/1/015002
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 
https://doi.org/10.1002/ente.201500127
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 
https://doi.org/10.1088/1367-2630/17/8/083056
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 
https://doi.org/10.1021/jp307380w
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 
https://doi.org/10.1016/j.cattod.2013.02.010
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 
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2014.01.061
57 Neyts E C. Plasma-surface interactions in plasma catalysis. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2016, 36(1): 185–212 
https://doi.org/10.1007/s11090-015-9662-5
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 
https://doi.org/10.1063/1.1398075
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 
https://doi.org/10.1063/1.4802008
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 
https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.01.004
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 
https://doi.org/10.1021/jp5127249
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 
https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.6b07459
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed