KAW-anslag till katalysforskning på atomnivå

​Professor Magnus Skoglundh på Kemi och kemiteknik har tillsammans med professor Henrik Grönbeck på Teknisk fysik på Chalmers beviljats 33 530 000 kronor under fem år av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse (KAW) för projektet Atomistic Design of Catalysts. De ska ta fram en ny forskningsmetodik för att på atomnivå kunna skräddarsy nästa generations katalysatorer som kan bli hörnstenar i framtidens energisystem.

En katalysator är ett ämne som utan att själv förbrukas ökar hastigheten för en kemisk reaktion. Heterogen katalys, som projektet handlar om, innebär att när molekyler kommer i kontakt med katalysatorns yta påverkas de av ytans elektroner och omvandlas till nya molekyler, alltså nya ämnen. Katalys förekommer både i naturen och används industriellt i stor skala. Mer än 90 procent av alla kemikalier produceras med hjälp av katalysatorer och för att framställa förnybara bränslen är de nödvändiga. Med ny kunskap om katalysatorer kan skadliga processer ersättas med miljövänliga alternativ.

- Katalys utgör en så stor del av produktionen att utveckling av katalysatorer är helt avgörande för framtiden. Utan framsteg här kan vi inte nå ett energieffektivt samhälle, säger Magnus Skoglundh.Max IV-laboratoriet i Lund  

Forskarlaget som består av forskare vid Chalmers, Lunds universitet och synkrotronanläggningen Max IV i Lund ska ta fram en metod som i framtiden kan bli det ledande sättet att designa katalysatorer. Med anslaget från KAW-stiftelsen till projektet Atomistic Design of Catalysts kommer de bland annat att ta sig an utmaningen att skapa en genväg i framställandet av metanol direkt från metan. Idag framställs metanol genom flera katalytiska steg, men den nya metoden förväntas vara såpass effektiv att man hoppas kunna framställa metanol genom enbart en katalytisk reaktion vilket skulle öka lönsamheten i tillverkningen och stärka dess ställning som alternativt bränsle.  

 - Det är en drömreaktion inom katalysvärlden att kunna framställa metanol av metan genom så kallad direkt partiell oxidation. Man går då direkt från metan till metanol genom att tillsätta syre, något som ännu inte går att göra industriellt, säger Magnus Skoglundh.   

Huvudsyftet med projektet är dock att ta fram en ny metodologi som kan användas för flera olika typer av reaktioner. Direkt partiell oxidation av metan till metanol är ett exempel på en mycket svår nyckelreaktion man vill åstadkomma.  

För att lyckas med denna reaktion och många andra ger forskarna sig ner på atomnivå. Ytan som de katalytiska reaktionerna sker på ska justeras så att atomerna placeras optimalt för den katalytiska reaktionen.  

- Det handlar om hur elektroner rör sig. Vi räknar ut vad som händer under reaktionen och hur vi kan flytta på vissa atomer för att få bättre resultat. Teorierna har blivit så starka att det nu går att förutsäga hur katalysatorerna fungerar innan materialet ens är framställt. Att kunna göra detta har inte varit möjligt förrän nu. Detta är ett av de fantastiska vetenskapliga genombrott som gjorts de senaste tjugo åren, säger Henrik Grönbeck.  

Det är främst två vetenskapliga framsteg, menar forskarna, som har lett fram till att projektet nu är möjligt. De senare årens teknik- och teoriutveckling har lett till att det går att genomföra kvantmekaniska beräkningar på hur elektroner beter sig när molekyler kommer i kontakt med olika ytor, samtidigt som den supermoderna synkrotronanläggningen Max IV i Lund snart kommer vara klar för användning. För projektets del kommer Max IV göra det möjligt att, med synkrotronljus, kunna mäta vad som sker på atomnivå i en katalytisk reaktion, vilket inte varit möjligt tidigare.  

- Vi kan titta på en katalytisk reaktion i Max IV-laboratoriet och få fram en mycket stor mängd data. Sedan använder vi kvantmekanik och stora beräkningsresurser för att tolka denna data så att den får en fysikalisk verklighet och beräkna vad som händer om vi förändrar ytans struktur, säger Magnus Skoglundh.  

Man kan även följa reaktionen medan den pågår. Vissa katalysatorer är som mest effektiva vid en viss temperatur vilket kommer vara möjligt att mäta med synkrotronljus. Man kommer alltså även kunna ta in den optimala temperaturen i beräkningen. 

- För att komma vidare inom katalysforskning måste vi veta vad som sker när reaktionen är igång. Detta har hittills varit väldigt svårt, säger Henrik Grönbeck. 

Med anslaget från KAW kommer man kunna anställa flera nya doktorander som ska arbeta med att utveckla metoden och forska på olika katalytiska reaktioner på en nivå som inte tidigare varit möjlig. 

- Pengarna kommer att ge katalysforskning på Chalmers och kompetenscentret KCK (Competence Centre for Catalysis) ett ordentligt tillskott. Med ett så här stort anslag har vi möjligheter att ta mycket stora steg framåt, säger Henrik Grönbeck. 


Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse är Sveriges största privata forskningsfinansiär. I oktober delar de ut 25 anslag till forskningsprojekt som bedöms hålla hög internationell klass och ha möjlighet att leda till framtida vetenskapliga genombrott. Anslagen går till grundforskning inom medicin, teknik och naturvetenskap. 

 

Text: Mats Tiborn
Bild: Mats Tiborn och Perry Nordeng


Publicerad: må 12 okt 2015.