Omvandling av koldioxid detaljstuderas

Anders Nilsson och hans forskarkollegor använder röntgenlaser för att i realtid studera hur koldioxid kan omvandlas med kemisk katalys till exempelvis eten. Förhoppningen är att kunskapen ska ge nya tekniker för lokal produktion av bränslen och material. Visionen är ett samhälle som är mer robust än det vi har idag.

Projektanslag 2016

Probing Catalysis in Operando Conditions and Real Time

Huvudsökande:
Professor Anders Nilsson

Medsökande:
Lars Pettersson
Henrik Öström
Stefano Bonetti
Tony Hansson

Lärosäte:
Stockholms universitet

Beviljat anslag:
32 miljoner kronor under fem år

– Globaliseringen är väldigt bra när det gäller att utbyta information, men den är farlig när vi måste transportera material, kemikalier och elektricitet runt hela världen. En störning i det systemet kan få civilisationen att kollapsa. Lösningen är nya teknologier som kan göra oss mer självförsörjande och mindre sårbara, säger Anders Nilsson som är professor i kemisk fysik på Stockholms universitet.

I ett femårigt projekt som har anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse använder hans forskargrupp röntgenlasrar och optiska metoder för att med kemisk katalys omvandla koldioxid till kolväten och alkohol, exempelvis eten och etanol. Ämnen som kan användas till att producera material och bränslen men även elektricitet till exempel i en bil.

– Vi sysslar med grundforskning och är intresserade av att utveckla nya tekniker för att förstå fundamentala egenskaper i kemiska reaktioner, men vi vill göra det i anknytning till problemställningar som har betydelse för samhället.

Att kunna ta vara på koldioxid ser Anders Nilsson som en av de stora utmaningarna för mänskligheten. Till att börja med handlar det om att fånga upp koldioxid där det sker mycket utsläpp, till exempel vid förbränning av fossila bränslen, förklarar han. Men ännu längre fram kan det även bli möjligt att separera koldioxid ifrån atmosfären. Det vill säga vända hela den globala uppvärmningen.

– Tänk dig en liten by i Afrika. Om vi lyckas få till de här metoderna skulle byn kunna bli självförsörjande vad gäller bränslen och alla grundkemikalier för att tillverka plaster och material av olika slag, men också använda bränslen för att generera elektricitet. Vi vill även kunna omvandla kvävgas till ammoniak, som används i konstgödsel. Kan vi göra detta lokalt överallt så blir samhället mer robust.

Kemiska reaktioner i realtid

Anders Nilssons forskargrupp har två huvudinriktningar. Det ena är att förstå vilka egenskaper vatten har på molekylär nivå. Det andra är kemisk katalys kopplad till energiomvandling på ytor, och här ingår arbetet om hur koldioxid reduceras.

Projektet går ut på att studera den katalytiska reaktionens förlopp och hastighet i realtid, precis när den sker. Det har inte gjorts tidigare.

För att kunna se när en reaktion påbörjas och molekylerna börjar röra på sig, kolliderar med varandra och bindningar skapas och bryts behöver man studera extremt korta tidsspann, förklarar Anders Nilsson.

– Det krävs tekniker som kan kontrollera och starta alla reaktionsförlopp samtidigt, och som kan mäta reaktionen i en tidsupplösning som är på femtosekundsnivå, miljondels nanosekundsnivå, det är en mycket kort tid.

Anders Nilsson var verksam på Stanford University under 15 år innan han 2014 flyttade tillbaka till Sverige. I USA var han med och utvecklade möjligheterna att använda röntgenlaser för att titta på kemiska reaktioner i realtid, med röntgenstrålning som innehåller väldigt korta ljuspulser.

– Med röntgenlaser kan vi göra spektroskopi, det vill säga studera det elektromagnetiska spektrumet, runt de enskilda atomerna. Det gör att vi med stor känslighet kan följa hur bindningen bildas och bryts runt de här molekylerna. Vi ska också använda en del optiska mätningar som dels görs här i huset dels på Stanford.

Röntgenlasrar är stora anläggningar, och hittills har forskargruppen använt en som finns på Stanford. Det finns också experimentstationer som kan kopplas ihop med olika röntgenlasrar. I källaren på AlbaNova står det ett ton tunga experimentstation som Anders Nilssons forskargrupp nyligen har byggt. Det skall framöver monteras ned och forslas på lastbil till röntgenlasrar i bland annat Italien och Tyskland.

Förstå mekanismerna

Forskarna vill studera koldioxidmolekylerna i olika tillstånd, i gasfas och elektrokemiskt. De vill också studera reaktionerna under högre tryck och med inblandning av vatten, något som på sikt kan komma till nytta i produktion av eten och etanol till bränsleceller. Tack vare anslaget från Stiftelsen har man kunnat skapa ett starkt team av flera forskargrupper som arbetar mot samma mål och kan koppla ihop mycket av det som tidigare gjorts på Stanford med det man nu gör vid Stockholms universitet, säger Anders Nilsson.

– Vi har hittat en av de mest intressanta katalysatorerna för den här ombildningen, där vi kan omvandla koldioxid till eten. Det här är en teknik som nu kommersialiseras i Tyskland. Men mycket är ännu okänt. Vårt mål är att öka den grundläggande teoretiska och experimentella förståelsen. Vi vill hitta och förstå mekanismen för hur koldioxiden reduceras, och i detalj förstå alla stegen och i vilken tidsskala det sker.

Om forskargruppen kan förklara hela denna omvandlingsprocess kan det i slutändan påverka hur man lokalt kan skapa klimatneutrala bränslen och material, och bidra till samhällets utveckling i en mer hållbar riktning, summerar Anders Nilsson.

– Det är det här som är framtiden.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström