Studier av aktiva faser, adsorberade molekyler och laddningsöverföring i modellsystem för heterogen katalys

Projektbeskrivning

Katalysatorer används för att snabba upp kemiska, fysiska och biologiska processer så att de kan ske vid lägre energier än vad som skulle vara fallet utan katalysatorer. En katalysator är oförändrad i slutet av reaktionen och kan därför i det ideala fallet användas om och om igen. Heterogen katalys innebär att katalysmaterialet befinner sig i en annan fas än de reaktanter den hjälper till att katalysera, exempelvis då katalysatorn är i fast fas och reaktanterna är lösta i vätskefas. Heterogen katalys har en oerhört stor inverkan på vårt dagliga samhälle och vår industri. De uppskattas ha en direkt inverkan på 35 procent av den globala ekonomin. Trots att katalysmaterial har varit av stort intresse under mer än ett sekel är det anmärkningsvärt mycket som fortfarande är okänt vad gäller de mekanismer som styr deras prestanda och funktion. Anledningen är att katalysatorer är komplexa och att de verkar i omgivningar med många frihetsgrader, dvs där många parametrar kan påverka den katalytiska reaktionen. Fysikens sätt att lösa komplexa problem är att bygga modeller. Modellerna kan vara tankeexperiment eller konkreta fysiska modeller. Genom modellerna vill fysiker förenkla den process de vill studera och förstå, bland annat genom att minska antalet frihetsgrader eller genom att kunna kontrollera de ingående parametrarna.

I detta projekt kommer vi att bygga ett nytt och närmast unikt modellsystem för att studera och förstå katalytiska processer som används vid energiomvandling, framförallt de processer som används i elektrolysörer och bränsleceller. De används för att omvandla elektrisk energi och vatten till vätgas och syrgas, respektive till den omvända reaktionen, att omvandla vätgas och syrgas till elektrisk energi och vatten. Om den ingående elektriska energin kommer från förnybar energi såsom sol, vind eller vattenkraft har man ett cirkulärt energisystem utan utsläpp av växthusgaser eller andra föroreningar.

Vårt modellsystem består av en kombination av metallstavar/pelare med dimensioner i nanometerområdet, det vill säga i det område där material får unika egenskaper på grund av sin litenhet i kombination med tunna skikt av grafen. Just denna materialkombination används flitigt även inom kommersiella katalyssystem för energiomvandling. Modellsystemet genom att det är väldigt allsidigt, som ett slags Legosystem där enskilda komponenter kan bytas ut för att anpassa det till den situation eller mekanism man vill studera. Jämfört med ett normalt katalyssystem kan det också ”vändas” så att det förenklar studier av gränssnittet mellan supportmaterial (grafen) och metallstavar (katalysator). I detta gränssnitt sker många intressanta processer som påverkar katalysatorns prestanda och som därför är intressanta att studera. Vi vill genom att skapa och studera dessa modellsystem lära oss mer om processer som exempelvis laddningsöverföring mellan support och katalysator och lära oss mer om den aktiva fasen i en katalysator, samt de intermediära faserna i en sådan reaktion. I vårt lab har vi nyligen uppdaterat med flera tekniker som är specifikt anpassade för att studera dessa fenomen, bland annat ett helt nytt svepprobmikroskop som kan mäta elektriska egenskaper hos material och samtidigt ge mycket bra visuell upplösning av materialet, ned mot nanometerområdet. Ett annat instrument som nyligen införskaffats är en Ramanspektrometer där vi kan studera vårt modellsystem ”in-operando”, det vill säga under själva processen och därför kunna följa utvecklingen av katalyssystemet över tid. Vårt projekt kommer att generera kunskap som kommer att snabba på utvecklingen av miljövänliga hållbara energilösningar för vårt samhälle.