Topsøe finder opskriften på den perfekte katalysator til methanolproduktion

Med et omfattende studie offentliggjort i Science har forskere fra Haldor Topsøe i samarbejde med DTU kastet nyt lys over kobberbaserede katalysatorer, der kan omdanne syngas (H2, CO og CO2) til methanol (CH3OH).

Program manager Jens Sehested siger, at Topsøe dermed nu kender opskriften på den bedste katalysator.

»Men det betyder ikke, at vi nødvendigvis er i stand til at følge opskriften endnu,« siger han.

Det er naturligvis noget, som virksomhedens ingeniører og forskere ihærdigt søger at blive i stand til. Hvis det lykkes, er det dog ikke noget, som omverdenen vil få kendskab til i en videnskabelig artikel, men gennem et patent, fortæller Jens Sehested.

På verdensplan forbruges årligt omkring 65 millioner ton methanol. Det kan stige i fremtiden, da methanol er en effektiv måde til at transportere energi.

Kobber får hjælp af zink

Når methanol produceres ud fra syngas, sker det med en katalysator, der indeholder nanopartikler af kobber.

Kobber kan virke alene, men det er velkendt, at dets effektivt øges betragteligt, hvis der også anvendes zinkoxid (ZnO), der i sig selv kun har en ganske ringe katalytisk effekt.

Topsøe-forskere har nu sammen med Center for Individual Nanoparticle Functionality ved DTU studeret Cu-ZnO systemet på en måde, som ingen andre har gjort før.

De har desuden sammenholdt de eksperimentelle undersøgelse med en teoretisk model med udgangspunkt i termodynamikken.

Det viser sig, at zinkoxid kan binde sig til kobbernanopartikler, så der opstår en legering af kobber og zink på overfladen af kobbernanopartiklerne. Derved indtræder elektroniske og morfologiske forandringer, der forbedrer de katalytiske egenskaber.

Ved temperaturer omkring 220 grader celsius tager det kun få timer at opnå en ligevægtssituation for andelen af zink på overfladen af kobbernanopartiklerne, mens det vil tage måneder eller uger for zinkatomer at diffundere ind i kobbernanopartiklen.

Forbedring med en faktor 3

Topsøes nye målinger viser, at aktiviteten til produktion af metanol stiger med en faktor tre, når andelen af kobberoverfladen dækket med zink øges fra 4 pct. til 47 pct. De eksperimentelle undersøgelser indikerer desuden, at den maksimale aktivitet opnås ved en dækningsgrad omkring 47 pct.

»Rent eksperimentelt har vi arbejdet på grænsen af, hvad der er rent måleteknisk er muligt. Det er noget, som vi har arbejdet på gennem flere år for at kunne mestre,« siger Jens Sehested.

Et andet forhold, der spiller ind, er størrelsesforholdet mellem ZnO- og Cu-nanopartiklerne. Jo mindre ZnO-partiklerne er, des bedre katalysator får man.

Af den videnskabelige artikel i Science fremgår det, at med en diameter af kobbernanopartikler på 8,8 nm, så vil ZnO-partikler på 4,0 nm give en dækningsgrad af zink på overfladen på 12,5 pct. og en forbedring af katalysatoren på 2,8 gange i forhold en ren kobber-katalysator uden zink.

Er størrelsen af ZnO på 20 nm, får man kun en katalysator, der er halvanden gang bedre, da zink nu udgøre mindre end 4 pct. af overfladen.

Emner : Kemi