Chrome Oxide Reduction - an Atomic Level modelling and Spectrographic Experimental Approach.

Metallproduksjon kan gjøres langt mer miljøvennlig dersom man kunne lykkes med å substituere naturgass for kull og koks. Imidlertid er det ikke alle metalloksider som er like egnet for reduksjon med naturgass. Ren kromoksid lar seg for eksempel redusere i metangass, men naturlige kromittmalmer gjør det ikke. Det er vår hypotese at det er overflateegenskaper på atomnivå som påvirker hvordan en oksidoverflate vekselvirker med metan, og derfor at en vellykket forklaring på forskjeller i reduksjonsegenskaper er nødt til å inkludere en detaljert beskrivelse av overflateegenskaper på atomskala. Dette vil ikke bare omhandle hvilke typer atomer som bygger opp overflaten og hvordan de er ordnet, men også ting som for eksempel hvordan deres forskjellige kjemiske egenskaper påvirker fordelingen av elektroner i overflaten og hvordan dette igjen påvirker mulighetene for interaksjon med elektroner i et nærliggende metanmolekyl. Prosjektet har hatt to parallelle aktiviteter: en eksperimentell del og en modelleringsdel. I den eksperimentelle delen har man brukt mye tid og krefter på å syntetisere kromoksider. I naturen foreligger kromoksid sammen med andre metaller som jern, magnesium og aluminium. Ved å bruke syntetiske oksider kan innholdet av disse metallene kontrolleres, og man kan slik undersøke effekten disse metallene har på oksidets interaksjon med metan. Noen reduksjonseksperimenter har allerede blitt gjennomført, men fokus på de urene oksidene vil intensiveres og ferdigstilles i 2017. I modelleringsdelen har man jobbet med å finne en atomskala-beskrivelse av dekomponering av metan på kromoksid. Dette innebærer å finne de spesifikke posisjonene på overflaten der metan med størst sannsynlighet vil vekselvirke, og hvordan det delvis dekomponerte metanmolekylet kan bevege seg på overflaten. Av særlig interesser er energibarrierene for de forskjellige skrittene i dekomponeringsreaksjonen. Når disse er på plass er det mulig å gjøre statistiske, sannsynlighetsbaserte simuleringer av reaksjoner (hvor en større energibarriere samsvarer med en mindre sannsynlighet for at et gitt reaksjonsskritt forekommer). En annen viktig undersøkelse har vært å se på interaksjon mellom metan og kromoksidoverflater med jern, aluminium og magnesiumatomer tilstede. Når disse undersøkelsene er ferdige vil de kunne sammenlignes med reduksjonseksperimentene med urene oksider fra den eksperimentelle delen av prosjektet. Målet blir så å forstå forskjellene i interaksjon mellom metan og forskjellige kromoksidoverflater ut fra både mikroskopiske og makroskopiske hensyn. Dette vil forhåpentligvis være generaliserbart til hvilke overflateegenskaper man bør være på utkikk etter når man vurderer metan som reduksjonsmiddel, og kanskje også gi noen hint om hvilke forbehandlingsprosesser som vil kunne endre overflateegenskapene til ellers uegnete malmer.

The environmental impact of metal production would be significantly reduced by substituting methane for coal and coke. However, not all metal oxides are as suitable for methane reduction as others, and the reason for the differences is not obvious. Pure c hrome oxide is, for example, readily reduced by methane, while naturally occurring chromite ores, are not. Since the interactions between a surface and gas-phase molecules are strongly dependent on the local geometry, chemical composition and electronic structure at the exposed surfaces, any explanation will need to be based on a detailed understanding of the properties at the atomic scale. This can only be obtained through a well interlinked experimental and modelling effort focusing on the atomic leng th and time scales. PES/XPS, TEM and X-ray diffraction will be used to extract surface and bulk structure information. DFT will be used to calculate the energy barriers associated with transitions between different chemical states and adsorption sites. These estimates of the energy barriers will translate to reaction rates of single reaction and diffusion steps, or in terms of Monte Carlo simulations, transition probabilities. These will form the basis for the development of a Kinetic Monte Carlo model which will then be used to describe the overall kinetics of the complex CH4-oxide chemistry, and compared with the experimental kinetics studies. Upon completion of the project, the difference in macroscopic and microscopic interactions observed between methane and pure chrome oxide and synthetically grown chromite ores will be explained based on surface characteristics at the atomic level. Hopefully, the obtained experience will allow for generalisation on what surface properties to look for in ores i ntended for CH4 reduction, and perhaps give hints on what pre-treatments could alter the surface properties of otherwise unsuitable ores.