Många kemiska reaktioner är helt beroende av katalysatorer. Utan dem hade reaktionerna stannat av. Katalysatorerna är ofta pyttesmå partiklar, bara några nanometer i diameter, och många detaljer i katalysen är okända. Nu bygger forskare i Göteborg en liten reaktor där de ska studera katalys kring en enda nanopartikel i taget. Det kan leda till mer effektiva och miljövänliga processer i framtiden.
Projektanslag 2015
Single Particle Catalysis in Nanoreactors
Huvudsökande:
Christoph Langhammer, docent i kemisk fysik
Medsökande:
Paul Erhart
Anders Hellman
Hanna Härelind
Kasper Moth-Poulsen
Henrik Sundén
Fredrik Westerlund
Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola
Beviljat anslag:
35,9 miljoner kronor under fem år
Nanopartiklar är partiklar med dimensioner på bara några nanometer, alltså miljarddelar av en meter. De kan tillverkas av många olika ämnen. Ett exempel är ämnet palladium, som med en viss tillverkningsmetod kan bilda nanopartiklar i form av små kuber.
Eller snarare; man antar att de ser ut som små kuber. I praktiken kan de se ut lite hur som helst. Christoph Langhammer vid Chalmers avdelningen för kemisk fysik visar en starkt förstorad bild av ett par hundra partiklar.
– Du ser? Ganska många är kuber, men titta här, de där är mer som pinnar, och här är det bollar… Vårt projekt handlar om att bygga verktyg för att kunna se i vilka sammanhang partiklarnas skillnader spelar roll för katalys. Enligt oss måste man titta på en partikel åt gången för att ta reda på det i detalj, säger Christoph Langhammer som leder projektet.
Studerar både katalysatorn och produkten
I nanoreaktorn ska forskarna undersöka vad som händer med nanopartikeln vid katalysen, och hur den påverkas av till exempel förändringar i tryck, gassammansättning och temperatur. Den kanske ändrar form, eller oxideras – avger eller tar upp elektroner. Det kan påverka hur effektiv den är, eller vilka reaktioner den driver.
Reaktorn ska också göra det möjligt att studera de ämnen som genomgår katalysen. Om olika former på nanopartikeln ger olika slutprodukter kan det hjälpa forskare i framtiden att designa nanopartiklar så att katalysen blir mer effektiv eller ger färre miljöfarliga biprodukter.
Även för kvantfysiker öppnar nanoreaktorn nya möjligheter. I nanoskala krävs kvantfysik för att förklara hur partiklar och katalytiska processer beter sig.
– Kvantfysiker kan inte räkna på verkliga system, med miljoner partiklar som ser olika ut. De gör teoretiska beräkningar på en partikel i taget. Våra experiment kommer alltså att vara direkt jämförbara med deras beräkningar. Vi hoppas kunna bevisa det de räknar ut, och de kan komma med konkreta förslag utifrån vad de beräknat som vi kan testa i våra experiment, säger Christoph Langhammer.
Nya idéer om tillverkningen av reaktorn
Det finns flera tänkbara sätt att tillverka reaktorn. Om man använder nanolitografi så ”skriver” man med en elektronstråle på en tunn platta belagd med ett material som förändras av strålen, så att det blir möjligt att lösa upp. Plattan doppas i lösningsmedel, och på ytan blir en urholkning där man har skrivit. Det är urholkningen som efter ytterligare steg blir reaktorn. Den består av en smal kanal som man tillverkar nanopartikeln i, på ett sätt som gör att den sitter fast. Sedan lägger man på ett lock, och så kan vätska eller gas skickas in i kanalen, och resultatet av reaktionen komma ut på andra sidan.
Ett alternativ till nanolitografi bygger på att allt som ska undersökas får flöda genom reaktorn löst i vätska. Det har inte provats förut, men forskarna vid Chalmers tror att det kommer att fungera.
Dagens mätinstrument tål inte trycket
– Helst vill vi göra våra experiment under omständigheter som liknar katalys i verkligheten, vilket betyder höga temperaturer och minst atmosfärstryck. Men det är en utmaning. De mätinstrument som är känsliga nog att läsa av så här små partiklar en åt gången, fungerar bara under mycket lågt tryck, säger Christoph Langhammer.
Därför söker forskarna andra detektionsmetoder. Bland annat vill de utnyttja ett fenomen som uppstår när man belyser metallnanopartiklar med synligt ljus. Det gör att partikeln får olika färg beroende på till exempel hur stor den är eller om den har oxiderats. Färgen syns i vanligt mikroskop, och är inte beroende av vare sig tryck eller temperatur.
Målet är att hjälpa andra forskare
Nanoreaktorprojektet har totalt sju forskningsledare. Här finns bland annat teoretiker, en organisk kemist, en expert på katalytiska experiment och en som är specialist på legeringar och syntes av nanopartiklar. Christoph Langhammer själv är materialvetare från början. Alla kompetenserna behövs.
– Vårt mål är att utveckla den här experimentella plattformen och visa att man faktiskt kan studera enstaka nanopartiklar med relativt enkla medel. Jag vill inte framhäva någon viss reaktion där jag tror att vi kan lösa ett specifikt problem – för det är inte det som är huvudsyftet med projektet. Men förhoppningsvis blir reaktorn och hela konceptet till hjälp när man i framtiden forskar kring katalys och försöker utveckla de bästa katalysatorerna för praktiska tillämpningar, säger Christoph Langhammer.
Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström
