När kemikalier tillverkas behövs nästan alltid katalysatorer. De driver reaktionerna, och utan dem skulle det vara omöjligt att producera till exempel konstgödsel eller metanol i stor skala. Nu vill svenska forskare skräddarsy katalysatorer på atomnivå. Om de lyckas, kommer framtidens industri kräva en bråkdel så mycket energi som dagens
Projektanslag 2015
Atomistic Design of Catalysts
Huvudsökande:
Magnus Skoglundh, professor i katalys
Medsökande:
Chalmers
Per-Anders Carlsson
Henrik Grönbeck
Anders Hellman
Lunds universitet
Edvin Lundgren
Johan Gustafson
MAX IV
Olivier Balmes
Konstantin Klementiev
Katarina Norén
Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola
Beviljat anslag:
33,5 miljoner kronor under fem år
– Tänk om lantbrukare kunde ha en egen liten fabrik där de tillverkade bränsle av gårdens biologiska avfall. De kunde tanka sina egna maskiner och bli av med växthusgaser på samma gång, säger Henrik Grönbeck vid Chalmers avdelning för kemisk fysik.
Han ingår i en grupp forskare från fyra avdelningar vid två svenska lärosäten som tillsammans ska försöka göra den visionen till verklighet. Vägen dit är ett helt nytt sätt att tillverka katalysatorer.
En drömreaktion för katalysforskare
Lantbrukaren i Henrik Grönbecks exempel vill tillverka bränslet metanol från metan. Metan utgör huvuddelen av all naturgas, men bildas dessutom bland annat när idisslande djur smälter maten.
I dag tillverkas metanol från metan i stora fabriker. Det är en flerstegsprocess som kräver katalysatorer, men också höga temperaturer och högt tryck. Om man istället hade en katalysator som gjorde det möjligt att driva processen i ett enda steg, vid normalt tryck och lägre temperatur, så skulle det kräva mycket mindre energi och mindre utrymme.
– En sådan genväg vore en drömreaktion för folk som håller på med katalys. Men den är väldigt svår att lyckas med, säger Magnus Skoglundh.
Han är professor i katalys vid Chalmers avdelning för tillämpad kemi och den som samordnar projektets forskare, som också finns vid Lunds universitet och forskningsanläggningen MAX IV.
Utmaningen är att sluta i tid
Det finns flera sorters katalys. Heterogen katalys är vanligast i industrin, och innebär att katalysatorn och de ämnen som ska reagera har olika form. Oftast är katalysatorn fast och sitter på en yta, medan de reagerande ämnena är i flytande form eller gasform.
I det nya projektet med anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse ska forskarna tillverka katalysatorer genom att bestämma exakt var vissa atomer ska vara placerade, så att de sitter optimalt i förhållande till varandra.
Målet är att göra katalysen selektiv; att se till att man bara får precis den reaktion man vill ha. Det är en stor utmaning just vid omvandlingen av metan till metanol. Samma katalys som gör metan till metanol, kan nämligen driva metanolen att förbrännas vidare. Då får man koldioxid och vatten som slutprodukt, istället för metanol.
Men om katalysen inträffar på fasta platser, där en metanmolekyl passar som nyckeln i ett nyckelhål, så sker bara det första reaktionssteget som forskarna vill ha.
– Det finns enzymer i naturen som klarar av att göra det här, bland annat i bakterier i varma källor. Vi försöker efterlikna de reaktionerna, säger Magnus Skoglundh.
Forskarna utgår inte från plana ytor utan från tredimensionella strukturer, ett slags kristaller som kallas zeoliter och som finns både i naturen och i syntetisk form. I dem sprider man ut metallatomer som blir startplatser för katalysen.
Först nu finns den vetenskap som krävs för projektet
Grundidén låter inte så komplicerad, men det är först nu som vetenskapen kommit så långt att metoden kan bli möjlig.
– Vi behöver tillräckligt bra beräkningsmetoder för att noggrant analysera hur katalysatorerna kommer fungera, redan innan vi tillverkat dem. De metoderna har utvecklats starkt de senaste 10-15 åren, säger Henrik Grönbeck.
Dessutom krävs stor beräkningskapacitet, något som en handfull svenska superdatorer har i dag. Och i den nybyggda materialforskningsanläggningen MAX IV i Lund kan de katalytiska reaktionerna analyseras med hjälp av synkrotronljus – medan de pågår. Därefter kan forskarna göra ännu fler beräkningar av hur materialet kan förbättras.
– Om vi lyckas så kommer vi om några år att ha en helt ny metod för att konstruera katalysatorer, och hela katalysforskningen kan verkligen tjäna på det. Med selektiv katalys skulle många processer bli mycket mer effektiva och energisnåla, säger Magnus Skoglundh.
Utöver tillverkningen av metanol från metan, skulle selektiv katalys kunna användas i dieselfordon för att direkt omvandla kväveoxider till ren kvävgas, som utan problem kan släppas ut i luften. En annan lockande reaktion är att tillverka metanol från koldioxid. Det är redan möjligt, men kräver i dag högt tryck och mycket energi.
– Att kunna göra det effektivt vid normalt tryck vore fantastiskt. Då kunde man få nytta av den koldioxid som bara är ett problem i dag, säger Henrik Grönbeck.
Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström
