Uta Hejral studerar katalysatorer för en hållbar framtid

Massor med sladdar, bultar, utstickande stänger och krom – vakuumkammaren som står i ett labb i Fysik Forskarhus ger ett spännande intryck med alla sina olika detaljer, och det är vid en första anblick inte helt lätt att förstå hur den fungerar. Dess syfte är att uppnå ett extremt lågt tryck, som är helt nödvändigt för viss forskning.

Forskaren Uta Hejral preparerar katalysmaterialprover med hjälp av det ultrahöga vakuumtrycket i kammaren. Instrumentet är en viktig del av det laboratorium hon börjat bygga upp sedan starten som forskarassistent på Chalmers hösten 2023, och det har övertagits från en professor vid Linköpings universitet. Att använda sig av dessa instrument var populärt under 90- och 00-talet, när studier av väldefinierade system under kontrollerade förhållanden hade sina glansdagar. Denna typ av forskning övergavs sedan allt oftare till förmån för studier av industriella prover under industriella förhållanden. Uta Hejral och hennes grupp kombinerar bägge världar: de tar fram väldefinierade materialsystem under vakuumförhållanden, men undersöker dem under realistiska, tuffa industriella omständigheter.

– När jag började på Chalmers, och sa att jag behövde dessa instrument för min forskning, fick jag veta att nej, tyvärr, vi har haft dem men de har getts bort, berättar Uta Hejral skrattande.

Men nu börjar alltså ett vakuumlabb växa fram på nytt. Här ska Uta Hejrals forskargrupp odla nanopartiklar till modellkatalysatorer – förenklade versioner av de katalysatorer som används industriellt – under ultrahögt vakuum med extremt lågt tryck. Instrumentet kan gå ned till 10^-14  bar (0.000 000 000 000 01 bar), och på den nivån kan nanopartiklarna börja växa på ett definierat sätt. Instrumentanläggningen gör det dessutom möjligt att få information om sammansättningen och strukturen hos de odlade nanopartiklarna på atomär skala, teamet kommer alltså kunna se enskilda atomer.

Studerar hur katalysatorers effektivitet kan förbättras

Katalysatorer används för att påskynda en reaktion utan att själv förbrukas. Inom industriella processer är de oumbärliga, och används inom allt från livsmedelsindustrin, petrokemi och läkemedelsframställning.

– När jag började forska inom det här området blev jag förbluffad över hur mycket som faktiskt bygger på katalysatorer. Någon gång i produktionskedjan, av så gott som alla saker vi använder varje dag, har en katalysator involverats. Utan dem skulle stora delar av vår moderna industri inte fungera, de får så att säga jorden att snurra. Katalysatorer används överallt – i bränsleceller, i kemisk industri, i elektrolysörer och i bilkatalysatorer, säger Uta Hejral.

– För att förbättra en katalysators effektivitet måste man förstå vad som händer i den på atomnivå, vilken struktur som finns när reaktionen sker. Detta sker dessutom i realtid under tuffa förhållanden. Då vi framställer proverna under strikt kontrollerade förhållanden i labbet vet vi exakt hur de ser ut. Det gör att vi kan studera specifika aspekter, som vad som händer på en viss kristallyta eller hur strukturen förändras under en reaktion. Industriella katalysatorer består av slumpmässigt fördelade nanopartiklar, och vissa detaljer är omöjliga att studera på så komplexa prover medan reaktionen pågår. Därför använder vi modellsystem som gör det möjligt att se vad som händer.

Undersöker proverna på synkrotronanläggningar

Proverna tar Uta Hejral sedan med sig högmoderna synktronanläggningar, som MAX IV eller Petra III vid DESY-laboratoriet, för att där studera dem under realistiska förhållanden. Med röntgendiffraktion kan hon följa hur partiklarnas former förändras och om vissa nanopartikelfasetter bildar ett 2D-oxidlager med en tjocklek på endast tre atomer medan andra fasetter förblir metalliska – något som inte kan observeras i industriella katalysatorer.

Det långsiktiga målet med hennes forskning är att ta fram nya katalysatorer av material som finns i stora mängder, som nickel, kobolt och järn, i stället för de dyrbara ädelmetaller som används idag.

– I industrin krävs stora mängder energi för att driva reaktioner. Om vi kan förbättra effektiviteten med bara en procent skulle det innebära en enorm energibesparing, vilket skulle vara mycket gynnsamt för en hållbar klimatomställning. För det andra vill vi hitta nya materialsystem som är mer tillgängliga och hållbara.

Odling av nanopartiklar väckte intresset

Redan under skoltiden i hemlandet Tyskland drogs Uta Hejral till naturvetenskapliga ämnen och i synnerhet fysik; astronomiämnet lockade mest till en början. Hon började studera fysik och engelsk litteratur och lingvistik i Stuttgart, Tyskland, och Kingston, Kanada. Under hennes examensarbete vid Max Planck-institutet för metallforskning i Stuttgart började hennes intresse gradvis skifta mot synkrotroner.

– När jag skulle göra mitt diplomarbete visste jag att jag ville arbeta med synkrotroner. Det var egentligen så jag kom in på katalysområdet. Jag började att odla platina-nanopartiklar och insåg att jag verkligen gillade att se hur de beter sig i röntgendiffraktion och hur deras egenskaper förändras beroende på den omgivande gassammansättningen.

Utforskandet av katalytiska reaktioner relevant för klimatförändringarna

Uta Hejrals forskargrupp undersöker idag också katalytiska reaktioner som är viktiga för att minska samhällets koldioxidavtryck. Dessa inkluderar omvandling av växthusgasen koldioxid till produkter med mervärde, såsom bränslet metanol, samt produktion av molekylära energibärare som grönt väte genom vattenspjälkning, med målet att kemiskt lagra energi från sol- och vindkraft och därigenom kompensera för driftstopp i energiproduktionen.

– Vi tror att vi kan förbättra katalysatorns effektivitet vid vattenspjälkningsreaktionen. Vi har en elektrokemisk cell som vi använder vid synkrotronanläggningar för att studera vattenspjälkning, och vi kommer även kunna använda den i laboratoriet när allt är på plats. Dessutom kommer vi att ha en högtryckscell för gaskatalys, där vi kan undersöka metanaktivering och vätning av koldioxid vid mycket höga tryck, upp till 100 bar. En av mina doktorander har nyligen påbörjat sin forskning i detta projekt. Många katalytiska reaktioner sker under sådana förhållanden, så detta kommer att bli en viktig del av vår forskning.

– Just nu undersöker vi hur katalysatorns struktur ser ut när den är som mest aktiv. Vi studerar också legeringar, det vill säga material som består av mer än ett kemiskt grundämne, i syfte att förbättra den katalytiska aktiviteten. En av mina doktorander arbetar med järndopning av nickel och min postdoc med järndopning av kobolt. Vi ser tydliga förbättringar, men den exakta mekanismen är inte helt förstådd. Vår forskning kan på sikt göra det möjligt att använda mer hållbara och lättillgängliga katalysatorer i industriell skala.

Självklart att ägna sig åt hållbarhet

Den gemensamma nämnaren för Utas olika forskningsspår, är att de handlar om forskning som i förlängningen gynnar den gröna omställningen. Att ägna sitt arbete åt detta känns självklart för henne.

– Miljöförstöringen är den största kris vi i människosläktet står inför, så att kunna bidra till hållbarhet på även det allra minsta sätt, känns givet, säger Uta.

– När man forskar kan det ta lång tid innan saker och ting faller på plats och man får det prov man vill ha. Det krävs uthållighet, på en daglig basis. Man banar väg där ingen tidigare gått, och att då ibland gå fel är helt normalt. Det viktiga är att behålla optimismen och tro att det kommer att lösa sig, att lita på processen. Ibland får man unika och oväntade resultat som driver ens forskningsområde vidare, och när det väl händer är det otroligt spännande!

Om Uta Hejral

• Uta Hejral har tidigare varit postdoc på Fritz Haber-institutet i Berlin, Tyskland, och på Lunds universitet, innan hon kom till Chalmers hösten 2023.
• Hon är en fellow inom WISE-programmet, Wallenberg Initiative Materials Science for Sustainability, vars syfte är att möjliggöra hållbara teknologier med positiv inverkan på vårt samhälle genom att förstå, skapa och kontrollera komplexa material.
• I Uta Hejrals forskargrupp ingår postdoc Fanny Duquet och doktoranderna Felix Simon och Roberto Dore. Dessutom drar gruppen stor nytta av universitetslektor Lars Hellbergs expertis inom ultrahögvakuumutrustning, då han hjälper till med att sätta upp labbet.

Uta Hejral om att…

… odla nanopartiklar på prover som är fem nanometer stora (en DNA-spiral är i jämförelse cirka 2,5 nanometer i diameter):
– Det är en långsam process. När materialet förångas och atomerna fastnar på ytan värmer man samtidigt underlaget, så att atomerna kan röra sig och hitta varandra. Då börjar partiklarna sakta växa. Utan den tiden skulle man bara få ett odefinierat skikt av materialet. Att odla ett prov kan ta upp till fem timmar eller ännu längre, trots att partiklarna är så små.

… stöta på återvändsgränder som forskare:
– Att forska handlar om att göra något nytt och att vandra en väg som ingen har gått tidigare. Det är normalt att stöta på återvändsgränder. Det tog mig ett tag att förstå det. I början av min forskarkarriär trodde jag att det bara var jag som stötte på problem, men sedan insåg jag att det är en del av processen.

… jobba inom den akademiska världen
– En av anledningarna till att jag ville stanna inom akademin är den internationella miljön. Man möter människor från hela världen och lär sig nya saker nästan varje dag. Det är ett väldigt omväxlande jobb – ena dagen arbetar man praktiskt i labbet, andra dagen analyserar man data vid datorn, skriver artiklar eller håller presentationer. Att resa till synkrotroner för experiment är också en del av arbetet. Det blir aldrig tråkigt!