Tillverkning av värdefulla kemikalier från förnybara råmaterial som vatten eller koldioxid, utan att det bildas farliga gaser, det ska bli verklighet genom ett katalytiskt material som utvecklas av forskare vid Stockholms universitet och KTH.
Projektanslag 2016
Catalytic Composites for Sustainable Synthesis
Huvudsökande:
Belén Martín-Matute, professor i metallorganisk syntes
Medsökande:
Stockholms universitet
Andrew Kentaro Inge
Pher Andersson
Ziaodong Zou
KTH
Mårten Ahlquist
Licheng Sun
Lärosäte:
Stockholms universitet
Anslag i kronor:
36 miljoner kronor under fem år
– Vi kan inte förlita oss på fossila resurser för alltid. Jag vill att vi ska kunna tillverka kemikalier på ett hållbart sätt, och vatten och koldioxid är råvaror vi har gott om, säger Belén Martín-Matute.
Men även om vatten och koldioxid finns i stora mängder på jorden är de inte särskilt användbara råmaterial för kemikalietillverkning. De är inte tillräckligt reaktiva för att vara intressanta.
Tar man däremot bort en syreatom blir vatten till vätgas och koldioxid till kolmonoxid; två betydligt mer reaktiva föreningar. Båda är användbara byggstenar i tillverkningen av andra värdefulla kemiska molekyler, exempelvis läkemedelsmolekyler, jordbrukskemikalier och plaster.
Problemet är att vätgas är extremt lättantändligt och blir explosivt när det blandas med luft och att kolmonoxid är en dödlig gas.
Dessa utmaningar ska lösas med hjälp av ett nytt material som utvecklas av Belén Martín-Matute och hennes kollegor vid Stockholms universitet och KTH, i ett projekt som fått anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse.
Det händer i hålen
I Stockholmsforskarnas material ska vatten eller koldioxid överföras till respektive reaktiv form – vätgas eller kolmonoxid – som direkt när den bildas används för att bygga upp värdefulla kemiska föreningar. På så sätt behöver den som arbetar med framställningen inte hantera de farliga gaserna, säger Belén Martín-Matute.
– Genom att använda ett poröst material kan vätgasen eller kolmonoxiden direkt delta i ytterligare en kemisk process. Då kan vi använda de här förnyelsebara resurserna utan att det behövs avancerad säkerhetsutrustning eller stora experimentuppställningar.
Materialet som forskarna utvecklar är ett sammansatt material, en komposit. Det består av två olika delar som sätter igång, katalyserar, varsitt steg i processen. Den första katalysatorn tar bort syreatomen ur råvaran. Den andra startar steget där den reaktiva byggstenen förs in i molekylen som syntetiseras.
Katalysatorerna hålls på plats i porösa stödmaterial. För tillfället används nanopartiklar av palladium som katalysator i det andra steget, stabiliserade i så kallade metallorganiska ramverksföreningar, metal-organic frameworks.
Att sammanföra de båda katalysatorerna, som sinsemellan är väldigt olika, i ett material är en av utmaningarna i projektet. Till exempel kräver det första steget, den så kallade elektrokatalysatorn, att materialet är elektriskt ledande, medan den andra katalysatorn antagligen förstörs i ett ledande material.
Genom att justera stödmaterialens egenskaper hoppas forskarna kunna foga ihop de två katalysatorerna till ett fungerande material. Till exempel kan storleken på porerna i materialet anpassas så att molekylen som syntetiseras inte förstörs i elektrokatalysatorn, berättar Belén Martín-Matute.
– Vi kan göra porerna i den delen av materialet små. Då kan vatten och koldioxid passera in, men de större föreningarna som byggs upp ryms inte, och kan få inte förstöras av elektrokatalysatorn säger hon.
Det finns idag katalyserande material som utför de två processerna för sig, men inte kombinerade i ett kompositmaterial, vilket ger fördelen att hanteringen av de farliga gaserna undviks.
Måste fungera tillsammans
Hittills har forskarna arbetat med de två delarna av materialet var för sig. Nästa steg är att föra ihop dem för att se vad som händer och vilka justeringar som krävs. En viktig aspekt är att få materialen att fungera bra tillsammans.
– Att hitta förhållanden som är optimala för båda är en stor utmaning. Till exempel kräver det första steget i vattenreaktionen förmodligen ett surt pH. Fungerar det med produktkatalysatorn? Det måste vi ta reda på, säger Belén Martín-Matute.
En viktig del av arbetet är att se till att kompositmaterialet blir så stabilt att det kan användas om och om igen. Forskarna studerar hur och under vilka förhållanden olika delar av materialet förstörs och gör sedan modifieringar för att undvika det.
Studerar kemiska reaktioner i realtid
I projektet ingår både forskare inom olika typer av katalys och forskare inom materialkemi. Eftersom de omgivande porösa materialen i vilka katalysatorerna hålls på plats också påverkar katalysen är det en avgörande kombination, konstaterar Belén Martín-Matute.
Att karaktärisera och studera materialet är en viktig del i projektet. Med hjälp av så kallad synkrotronstrålning kan forskarna till och med studera katalysen medan den sker.
– Vi försöker till exempel se vad som händer på ytan av palladiumpartiklarna under katalysen – om de blir de större eller mindre och var katalysen sker. Förstår vi det kan vi skapa ett bättre material, säger Belén Martín-Matute.
För synkrotronstudierna, som till exempel görs vid anläggningen MAX IV i Lund, konstruerar forskarna egna reaktionskammare. Dessa gör de också tillgängliga för andra forskningsgrupper.
– Mycket av det vi utvecklar på vägen i det här projektet kan vara användbart för andra. Vi vill skapa ny kunskap och nya verktyg och dela det med forskarsamhället, säger Belén Martín-Matute.
Text Sara Nilsson
Bild Magnus Bergström
