Derfor jagter forskerne den perfekte katalysator

Verden står over for en stor energimæssig udfordring med udfasning af fossile brændstoffer til fordel for bæredygtige energikilder.

Da verden samtidig bliver mere og mere elektrificeret, kunne man tro, at interessen for kemiske brændstoffer vil blive mindre og mindre. Men det er ikke tilfældet, for selv om der sker fremskridt inden for batteriteknologi, så er der stort potentiale i lagring af energi i molekyler.

Det er en teknik, naturen selv benytter. Med de fossile brændstoffer frigiver vi i dag energi, som naturen har bundet for millioner af år siden baseret på optag af CO2.

Problematiske men smarte

Fossile brændstoffer, der frigiver CO2 til atmosfæren, er problematiske i forhold til den globale opvarmning, men de har i øvrigt mange fordele. De er lette at transportere og lagre og kan indeholde meget energi i forhold til rumfanget. Men i fremtiden bliver det altafgørende at lukke CO2-kredsløbet, som naturen selv gør det.

Det var et af hovedbudskaberne fra Robert Schlögl, leder af Fritz- Haber-Institut der Max-Planck- Gesellschaft i Berlin, ved åbningen i sidste uge af det nye Villum Center for the Science of Sustainable Fuels and Chemicals ved DTU.

Udfordringen består bl.a. i at opsamle CO2 og omdanne dette med brug af vedvarende energi fra sol og vind til kemikalier, der senere kan bruges som brændstoffer, som så frigiver den tidligere indvundne mængde CO2.

Et superteam står klar

Robert Schlögl havde en klar mening om, hvem der kan gøre dette:

»Ib has to do the job.«

Ib er professor Ib Chorken­dorff fra DTU, som er leder af det nye center.

»Kan jeg mærke presset? Ja, det kan jeg,« sagde Ib Chorkendorff efterfølgende, men understregede dog også, at der ikke er tale om en opgave, der kun hviler på hans skuldre:

»Vi har et superteam og et godt Advisory Board (der bl.a. inkluderer Robert Schlögl, red.). Vi har lovet at levere afgørende bidrag til forskning inden for området, og jeg er overbevist om, det vil lykkes.«

Katalyse: løsningen og problemet

Problemstillingen er altså velbeskrevet. Det samme er sådan set løsningen og det store problem, som under ét består i at udvikle effektive, driftstabile og billige katalysatorer.

Omdannelsen af CO2 til kemisk brændstof eller spaltning af vand i hydrogen – som senere kan bruges i brændselsceller – og oxygen kræver nemlig energi. Og med dagens metoder bruger man langt mere energi til at danne produkterne, end man siden kan hente ud af dem.

Haber-Bosch-processen til produktion af ammoniak blev udviklet af den tyske kemiker Fritz Haber i begyndelsen af 1900-tallet og siden opskaleret hos BASF i samarbejde med Carl Bosch.

Processen består i al sin enkelhed i at tage et nitrogenmolekyle (N2) og tre hydrogenmolekyler (3H2) og få den til slutte sig sammen til to ammoniakmolekyler (2NH3). At bryde bindingerne i nitrogenmolekylet er dog ikke let; selv naturen har faktisk ikke af sig selv fundet en særlig effektiv metode hertil. I den oprindelige Haber-­Bosch-proces brugte man osmium som katalysator.

»Efterfølgende testede BASF 22.000 forskellige materialer og fandt, at jernbaserede katalysatorer var bedst. I 2009 viste Jens Nørskov, at en katalysator baseret på cobalt og molybdæn (CoMo) var bedre og billigere,« forklarede Nicola Marzari fra École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) ved åbningen.

Ikke nogen simpel opgave

Historien illustrerer på bedste vis, at det ikke er en simpel opgave, forskerne står over for.

Kemisk katalyse har været kendt siden 1800-tallet, og den fundamentale teori baseret på Sabatier-princippet (se grafik) har været kendt lige så længe som Haber-Bosch-processen. Men at finde gode katalysatorer var længe et hårdt trial and error-arbejde, hvor man ledte i blinde, indtil man faldt over noget, som kunne bruges.

Da Jens Nørskov identificerede CoMo-katalysatoren, var han professor ved DTU. I dag er han professor ved Stanford University i Californien, men stadig med stor kontakt til det danske forskernetværk.

Han er en af nøglepersonerne i det nye center, og han har været en helt central person i at udvikle teoretiske metoder, så man ved computerberegninger kan finde de mest lovende materialer, som kemikere, eksperimentalfysikere og ingeniører siden hen kan teste i praksis, uden at de behøver at bruge tid på noget, som med garanti ikke vil virke.

En central metode

Arbejdsmetoden bliver central i mange af de konkrete forskningsprojekter, centret skal arbejde med.

»Vi ved, der ingen garanti er for resultater, men vi er villige til at løbe risikoen,« sagde bestyrelsesformand Jens Kann-Rasmussen fra Villum Fonden, der støtter centeret med 150 mio. kr. over otte år, i forbindelse med åbningen.

Det nye forskningscenter er ikke ene i verden om at angribe denne problemstilling, men dansk forskning har gennem mange år været blandt verdenseliten med jævnlige publikationer i de førende inter­­na­tionale tidsskrifter og stærkt internationalt samarbejde.

Der er et berettiget håb og en forventning om, at det vil fortsætte og yderligere styrkes, baseret på den nye kæmpebevilling.

Langt sejt træk

Hurtige løsninger skal man dog ikke vente sig.

Som optakt til klimatopmødet i Paris i december 2015 udpegede Bill Gates bl.a. direkte omdannelse af solenergi til ‘solar chemicals’ som et område, han vil støtte forskning i.

Denne proces vil også blive studeret i det nye center, men Ib Chorkendorff sagde ved lanceringen af Bill Gates’ plan til Ingeniøren, at det nok vil tage 15-20 år at udvikle en konkurrencedygtig teknologi.

Projektledernes gennemgang af de seks underprojekter i centeret indikerede heller ikke, at vi umiddelbart skal forvente nye store gennembrud i løbet af kort tid.

Centeret vil tilsyneladende fokusere på at levere god forskning gennem et langt sejt træk.

»Hvis det lykkes, kan vi altid ansøge om flere penge,« sagde Ib Chorkendorff.

Forskningsmæssig risikospredning

Ved at fokusere på flere delprojekter inden for området laver centeret en form for forskningsmæssig risiko­spredning.

Det kan være fornuftigt, hvis det ikke er soleklart, hvilke delprojekter der har størst chance for at give et samfundsmæssigt betydningsfuldt resultat inden for tidsperioden, men det indebærer også en risiko for, at bevillingen bliver smurt for tyndt ud.

Man kunne måske savne en mere Elon Musk-agtig tilgang til at love en bestemt løsning og sætte handling bag sådanne ord. Men kun fremtiden kan vise, hvilken tilgang der er bedst.