Electrochemical energy conversion. Schematic showing electrochemical conversion of water, carbon dioxide, and nitrogen into value-added products (e.g., hydrogen, hydrocarbons, oxygenates, and ammonia), using energy from renewable sources. The combination of theoretical and experimental studies working in concert provides us with insight into these electrochemical transformations and guides the development of the high-performance electrocatalysts needed to enable these technologies.

Elektrokatalyse kan sikre grøn omstilling

tirsdag 17 jan 17

Kontakt

Jakob Kibsgaard
Adjunkt
DTU Fysik
45 25 32 90
Læs artiklen i Science

Arbejdet er bl.a. udført i VILLUM Center for the Science of Sustainable Fuels and Chemicals der blev oprettet I 2016 efter en bevilling på 150 mio. kr. fra VILLUM FONDEN

Vedvarende energi fylder mere og mere i energiforsyningen, men skal den grønne omstilling sikres skal den også kunne give os de brændstoffer og kemikalier, der tilsammen udgør over 25 % af verdens energiforbrug. Elektrokatalyse er en teknologi, der kan gøre netop det, men den står overfor store udfordringer. Det viser en artikel i tidsskriftet Science.

Befolkningstallet stiger, energibehovet følger med, og vi har længe kunnet se konsekvenserne af klimaforandringer, som verdens forbrug af fossile ressourcer har medført. Ifølge det Internationale Energiagentur var den globale efterspørgsel på energi på omkring 18 terawatt (TW) i 2013. Det svarer til 18.000.000 megawatt. Forventningerne er at det behov vil stige til i omegnen af 25 TW i 2040. Det betyder at vores CO2-udledning til den tid vil ligge i nærheden af 40 gigaton (Gt) om året – mod 32 Gt i 2013.

Behovet falder næppe, så der skal findes en måde, hvorpå vi bæredygtigt og fossilfrit kan lave de brændstoffer og kemikalier, som er en integreret del af vores dagligdag. Transportsektoren udgør ca. 19 % af det globale energibehov, mens produktionen af kemikalier udgør omkring 8 %.

Elektrokatalyse kan være vejen frem

Én metode til at slippe fri af olien er gennem elektrokatalyse, som kan omdanne molekyler der findes i vores atmosfære (f.eks. vand, CO2 og kvælstof) til dyrere og mere brugbare produkter som brint eller methanol (brændstof) og kemikalier – f.eks. ammoniak (gødning). I en ny artikel, der netop er publiceret i tidsskriftet Science forsøger forskere fra DTU og Stanford University i USA at give en status på, hvor feltet elektrokatalyse står i dag, og hvad der skal til, for at teknologien kan udvikles yderligere.

”Det helt store spørgsmål er jo, hvordan vi får vedvarende energi til at få en større rolle i vores samfund. Vi har masser af vindenergi i Danmark, priserne på solenergi falder, og har gjort det over de sidste par år. Nogle steder bliver det nu billigere end at lave strøm på traditionel vis,” siger adjunkt Jakob Kibsgaard fra DTU Fysik, der er medforfatter på artiklen.

”For at få de her kilder til at fylde endnu mere, så vil vi tage strøm fra de vedvarende kilder og så nogle helt basale molekyler vi kender fra atmosfæren. Det kan være vand, CO2 eller kvælstof. Strømmen driver så en elektrokatalytisk proces, der konverterer molekylerne til noget brugbart. Vand kan for eksempel splittes til brint og ilt, og brint kan vi jo bruge i brintbiler der drives af brændselsceller. En anden reaktion er at tage CO2 og reducere det til metanol eller ethanol, som kan indgå direkte i vores brændstofdistribution, som den er nu.”

Som et tredje eksempel leder forskerne efter en god katalysator, som kan lave ammoniak, der bl.a. bliver brugt til kunstgødning. I dag foregår det i en kemisk proces, som kræver meget store anlæg. Det betyder at mens kunstgødning er forholdsvis billigt i den vestlige verden, så er det langt dyrere i Afrika fordi det skal importeres. Kunne man forenkle processen, og benytte sig af elektrokatalyse, så kunne man samtidig have en mere decentral forsyning af kunstgødning; vel at mærke en forsyning, som er drevet af et nærliggende solcelleanlæg, og hvis råstof er kvælstof, som tages fra luften.

Sustainable energy future. Schematic of a sustainable energy landscape based on electrocatalysis.

Grafisk fremstilling af et energisystem baseret på vedvarende energi og elektrokatalyse. (Science  13 Jan 2017: Vol. 355, Issue 6321, DOI: 10.1126/science.aad4998)

Mangel på katalysatorer

Processerne bag elektrokatalyse kan uden videre drives af vedvarende energikilder som vind og sol, og kan dermed potentielt gøre verden mindre afhængig af fossile ressourcer. Men vi har ikke styr på processerne. De katalysatorer der findes i dag, slår ikke til. For at drive de elektrokatalytiske processer er der brug for effektive katalysatorer, og de er enten ikke gode nok eller også er de ikke fundet endnu.

For eksempel er kvælstofmolekylerne – N2 – bundet meget stærkt, så det kræver en god katalysator førend processen kan køre. Og den katalysator er ikke fundet endnu. Med hensyn til katalyse af vand og CO2 er der også et godt stykke vej til det store gennembrud.

Teknologien slår altså endnu ikke til, hvis vedvarende energi virkelig skal slå igennem, konkluderer forfatterne bag artiklen, og argumenterer for, at en vigtig forudsætning for succes er en stærkere forbindelse mellem teori og eksperimenter.

”Groft sagt kan jeg jo, når jeg skal finde en god katalysator, bare starte fra en ende af i det periodiske system, hvor der er 118 grundstoffer. Disse kan så blandes på tusindvis af måder. Der kan teoretikerne være med til at gøre listen langt kortere, så jeg i stedet for at stå med hundredetusindvis af materialer måske står med 10. Og det giver mig et sted at starte,” siger Jakob Kibsgaard, og fortsætter:

”Derefter kan vi så gå i gang med at syntetisere materialerne, få dem karakteriseret og endelig se om de virker, som vi vil have det. Den information kan jeg sende tilbage til teoretikerne, som kan justere deres modeller. Og i det kredsløb finder vi forhåbentlig frem til materialer, der er både effektive og stabile. Det er kort fortalt den fremgangsmåde, der har vist sig at virke førhen.”

Electrochemical energy conversion. Schematic showing electrochemical conversion of water, carbon dioxide, and nitrogen into value-added products (e.g., hydrogen, hydrocarbons, oxygenates, and ammonia), using energy from renewable sources. The combination of theoretical and experimental studies working in concert provides us with insight into these electrochemical transformations and guides the development of the high-performance electrocatalysts needed to enable these technologies.

Elektrokemisk energikonvertering. Grafikken viser elektrokemisk konvertering af vand, CO2 og kvælstof til mere værdifulde produkter (brint, kulbrinter, oxygenater og ammoniak) vha. vedvarende energikilder. Kombinationen af teoretiske og eksperimentelle undersøgelser giver indsigt i elektrokemiske transformationer og styrer udviklingen af højtydende elektrokatalysatorer. (Science  13 Jan 2017: Vol. 355, Issue 6321, DOI: 10.1126/science.aad4998)

Spaltning af vand viser potentiale

Jakob Kibsgaard fortæller, at et af de bedste eksempler har været udviklingen af en katalysator, der kan udvinde brint ved at spalte vand. Og i den udvikling har den bedste strategi været en kombination af teoretiske og eksperimentelle studier. På den måde er det nemlig lykkedes at udlede nogle generelle principper, som har øget forståelsen for, hvilke materialer der er brugbare for at drive den katalytiske proces.

I dag er platin den bedste katalysator til den proces. Men der er ikke meget af det og det er meget dyrt (nogle hævder, at tog man alt udvundet platin i verden og hældte i et olympisk svømmebassin, så ville det kun nå ankelhøjde). Derfor har man arbejdet længe på at finde en erstatning. Og det er til dels lykkedes. For snart ti år siden viste et studie fra den samme gruppe på DTU Fysik at molybdændisulfid var en potentiel erstatning for platin. Molybdændisulfid er et lagdelt grafit-lignende materiale, der bl.a. bruges som fast smøremiddel. Tidligere blev det set som meget lidt reaktivt, men studiet viste, at kanterne på lagene kunne fungere som en aktiv katalysator.

"Efterhånden som elektriciteten fra vedvarende energi bliver billigere og billigere, så øger det jo også motivationen for at bruge den til meget mere, end vi gør i dag"
Adjunkt Jakob Kibsgaard, DTU Fysik

”Det har startet et nyt felt indenfor katalyse, hvor folk over hele verden arbejder med at lave forskellige nanostrukturer af molybdændisulfid, for at få så mange kanter som muligt. Og over årene er det blevet mere og mere effektivt, så vi i dag er kommet meget tæt på den samme elektrodeaktivitet som platin,” siger Jakob Kibsgaard.

Men det er kun brintdelen af den katalytiske proces. Vand består også af ilt, og her har man endnu ikke fundet en optimal katalysator. Hver gang forskerne får optimeret på en parameter, er der en anden parameter, der bliver dårligere. Og sådan har det stået på i mere end ti år. Når ilt-katalysen således ikke viser tegn på at blive effektiv lige foreløbig betyder det, at energiforbruget i den samlede proces er for højt; det gør produktionen af brint mindre rentabel. Så her er der igen brug for teoretikerne for at se på, hvilke materialer der kan bruges, og hvilken udformning ilt-katalysatoren skal have, før den nød bliver knækket.

I store træk er det de samme problematikker, der gør sig gældende indenfor katalyse af CO2 til f.eks. methanol og kvælstof til ammoniak.

Teori og eksperimenter skal kobles

”Vi samarbejder med teoretikerne, som kommer med ideer til hvad der kunne være interessant, og der er spændende ideer. Man er nødt til at tænke ud af boksen, for der er rigtig mange ting, der spiller ind, når man skal designe en katalysator. Når du først har valgt hvilke grundstoffer, der skal bruges, så kan du f.eks. vælge om de skal optræde som nanotråde, 3-dimensionelle porøse strukturer eller nanopartikler. Og så kan du overveje om du vil have kubiske, pyramideformede eller runde partikler, og om de evt. skal optræde i legeringer. Så der er rigtig mange knapper at skrue på,” siger Jakob Kibsgaard.

En af artiklens hovedkonklusioner er således, at der er brug for yderligere at styrke koblingen mellem det teoretiske og det eksperimentelle niveau, hvilket bl.a. kræver nye computermodeller, som hurtigt kan beregne hvordan forskellige materialer reagerer i den katalytiske proces, og hvordan de påvirkes af forskellige omstændigheder.

”Vi forsøger at gå i dybden, og forstå de katalytiske systemer, og hvordan man laver en god katalysator. Det handler om at bygge et fundament for hvordan vi udvikler de her katalysatorer. Og efterhånden som elektriciteten fra vedvarende energi bliver billigere og billigere, så øger det jo også motivationen for at bruge den til meget mere, end vi gør i dag. Ikke mindst fordi det ville være godt at få nedbragt vores CO2-udledning,” siger han, og fortsætter:

”Elektrokatalyse har potentiale til at være en af de måder, hvorpå vi kan bruge vedvarende energi til at lave brændstoffer til tung transport og flytransport, kemikalier til gødning og molekyler som kan indgå i plastikproduktionen. Hvis vi f.eks. finder en katalysator, som kan lave ethanol på en billig måde – og meget gerne fra CO2 - så ville det virkelig være en gamechanger.”

Relaterede Videoer  

Vis flere