Hierarchical modelling of the sintering of catalyst nanoparticles

A proper knowledge of catalysts materials performance decay is vital in the understanding of heterogeneous catalysts activity. Sintering of active phase clusters dispersed onto a support material arises strong concerns about catalyst stability since often the process is irreversible, leading to permanent loss of catalytic properties of the material. This thesis work explores the field of metallic nanoparticles sintering, highlighting peculiarities and morphologies of sintering nanoparticles, describing particle dynamics occurring in such systems. Silver is chosen as reference metallic material in the simulations reported in this work, due to its relevant industrial and material science applications and in the light of an exhaustive treatment in the literature. Particles are modelled in their equilibrium faceted configuration, aiming to represent realistically sintering systems, bearing in mind the micro-kinetic catalytic activity dependence on active phase structure. In the context of a hierarchical approach to sintering phenomena, two key tools for material modelling are here adopted, namely molecular dynamics and phase field method, with the intent to outline their capabilities, and achieving an integration of the methodologies, finding contact points between the two frameworks. A good dialogue between the two methods has been found, corroborating the possibility of effectively implement a particle dynamics hierarchical modelling.

Un’esaustiva conoscenza dei processi di decadimento delle prestazioni di materiali catalitici è fondamentale nella comprensione dell’attività di catalizzatori eterogenei. Il sintering della fase attiva metallica è, da questo punto di vista, uno dei processi cardine che conducono alla disattivazione del catalizzatore. Questa tesi tratta il sintering di nanoparticelle metalliche, evidenziando le peculiarità e le morfologie che le caratterizzano, descrivendo le dinamiche caratterizzanti questi sistemi. Per le simulazioni riportate in questo lavoro, l’argento è stato scelto come materiale metallico di riferimento, date le sue rilevanti applicazioni in ambito industriale e nella scienza dei materiali e alla luce della sua esauriente trattazione nella letteratura scientifica. Le particelle sono modellizzate nella loro conformazione di equilibrio sfaccettata, con l’obiettivo di rappresentare realisticamente sistemi che sinterizzano, tenendo a mente che l’attività catalitica micro cinetica è dipendente dalla struttura della fase attiva. Seguendo un approccio gerarchico, la modellazione del sintering di nanoparticelle è condotta utilizzando la molecular dynamics e il phase field method, con l’obiettivo di evidenziarne le capacità e di raggiungere un’integrazione tra le due metodologie, trovandone i punti di contatto. Una buona comunicazione tra i due metodi è stata riscontrata, supportando l’effettiva possibilità di implementare una modellazione gerarchica della dinamica di particelle.