Med et af verdens kraftigste elektronmikroskoper har forskere fra DTU’s Center for Elektronnanoskopi (DTU Cen) nu vist, hvordan det sjældne mineral georgeite kan hjælpe med at gøre produktionen af metanol mere effektiv. Forskningsresultatet er netop publiceret i det videnskabelige tidsskrift Nature.
Bag grundforskningen står postdoc Elisabetta Maria Fiordaliso og videnskabelig direktør og professor Jakob Birkedal Wagner. Gennem deres netværk blev de kontaktet af Cardiff University, der manglede yderligere indsigt i, hvordan man med det særlige mineral georgeite kunne forbedre katalysatoren for metanolproduktion.
Med mineralet kan man på sigt producere metanol hurtigere, billigere og mere effektivt end hidtil. Det vil få stor betydning for produktionen af metanol, der bl.a. bliver brugt til at fremstille plastik og syntetisk brændstof, og som er et af de vigtigste kemikalier i verden.
”I begyndelsen lød det som en nem opgave. Vi skulle beskrive, hvorfor georgeite er et godt katalysator-materiale, og dokumentere, hvorfor det virker bedre som katalysator end andre materialer. Men det viste sig at blive en svær opgave. Da vi undersøgte materialet i mikroskopet, var nanostrukturen (partiklerne) svære at skelne. Derfor måtte vi bruge forskellige metoder til at karakterisere de relevante nanopartikler og sammenligne dem med hinanden,” fortæller Elisabetta Maria Fiordaliso.
Et unikt elektronmikroskop
Til daglig sidder hun på Center for Elektronnanoskopi, der bl.a. specialiserer sig i at visualisere nanoobjekter. Centeret, som er finansieret med en donation fra A.P. Møller Fonden, huser otte elektronmikroskoper, der anvendes til at karakterisere materialer på alt fra atomar skala til mikroskala.
Til at undersøge partiklerne brugte forskerne det næsten fire meter høje FEI TITAN Environmental Transmission Electron Microscope. Elektron-mikroskopet har en opløsning på 0,08 nm, der gør det muligt at se atomer. Mikroskopet er et ud af kun et par håndfulde i verden, der kan bibeholde en høj opløsning, samtidig med at prøverne bliver udsat for en gasatmosfære. Her kan forskerne studere dynamiske interaktioner mellem gasarter og faste stoffer ved høje temperaturer. På den måde kan de ‘se’ materialernes atomare opbygning og struktur, både på overfladen og i dybden, og undersøge deres funktion.
”Det er helt unikt, at vi med dette elektronmikroskop kan studere materialet i det miljø, som katalysatoren skal fungere i. Andre steder foregår undersøgelserne typisk i et lufttomt rum,” siger Jakob Birkedal Wagner.
”Derudover er vi gode til at koble funktionaliteten sammen med strukturen. I det her tilfælde har vi koblet den katalytiske reaktion sammen med strukturen på atomar skala. Vores mangeårige erfaring inden for elektronmikroskopi og katalysatorer har således gjort det muligt på relativt kort tid at sætte os ind i problemstillingen i samarbejde med internationale kolleger.”
Kobber-zinkbaserede mineraler, såsom malachite, aurichalcite og rosasite er blevet brugt som startmateriale til effektive katalysatorer til metanolproduktion i 50-70 år. Georgeite er også et kobber-zinkbaseret mineral, men på grund af dets sjældenhed har det aldrig været brugt i metanolsyntesen. Nu er der fundet en metode til at fremstille georgeite i større mængder. Og det har gjort det interessant at fremstille endnu bedre katalysatorer for metanolproduktion.
Elektronmikroskopet er et godt instrument til at undersøge den type nanomaterialer, der kaldes katalysatorer, da de typisk består af nanopartikler, hvor den atomare struktur er bestemmende for katalysatorens egenskaber. En katalysator er et materiale, som hjælper en kemisk reaktion med at finde sted. Katalysatorerne er specielle, fordi de får de kemiske reaktioner til at forløbe hurtigere, med mindre energiforbrug og ofte også billigere.