Ny ytstruktur kan ge mer hållbara katalysatorer

Katalys är en av våra viktigaste industriella processer. Men materialen i katalysatorer är dyra och har andra nackdelar. Dan J. Harding forskar om hur ytstrukturen på katalysatorer kan skapa billigare och mer hållbar katalys.

Kemiska reaktioner som sker i gränsytan mellan fasta ytor och gaser är enormt viktiga och sker i en rad naturliga förlopp. De är också avgörande inom industrin, där katalys används i 90 procent av alla tillverkningsprocesser och förbrukar 80 procent av världens energi. Idag är katalysatorer oftast tillverkade av ädelmetaller, som platina och rodium, vilket gör dem dyra och tillsammans med högt energibehov skapar miljöproblem.
Eftersom katalysatorer används i så stor omfattning får förbättringar vad gäller material, toxicitet, energiförbrukning och livslängd stor betydelse för deras kostnadseffektivitet och miljöpåverkan.

Studerar ytstrukturen
– Vi har känt till katalysens betydelse i över hundra år. Men forskningen har bland annat hämmats av att det finns en stor diskrepans mellan det höga trycket i verklig katalys och det mycket låga trycket i den rena, kontrollerade vakuummiljö som krävs för att på nära håll studera processen. I vår forskning utvecklar vi nya instrument och experimentella tekniker som gör det möjligt att undersöka katalytiska reaktioner vid högre tryck och se hur ytstrukturen på katalysatorn påverkar reaktionen. Idag finns mycket begränsad kunskap om detta, förklarar Dan J. Harding, biträdande lektor på avdelningen för processteknologi vid KTH.

Utveckla nya material
Med ökad förståelse för betydelsen av storleken och strukturen av de aktiva metallpartiklarna på katalysytan kan forskarna utveckla nya material som kan ersätta de dyrbara metallerna och skapa en renare, mer hållbar katalys. Dan har tidigare, med ett team i Tyskland, lyckats mäta och jämföra reaktiviteten i olika lokala strukturer på katalysytan vid oxidation av kolmonoxid till koldioxid på platina, som är en av de reaktioner som sker i en bilkatalysator.
Forskarteamet på KTH har nu designat och byggt lejonparten av de nya instrumenten. En viktig del av arbetet är utnyttja datorsimuleringar för att utforma katalysatorer med olika egenskaper. Tillämpningarna på sikt är många. Exempelvis kan en ny sorts katalysator utvecklas för att omvandla biomaterial till värdefulla produkter, vilket är viktigt om vi ska kunna fasa ut fossila bränslen.