Atomär design av katalysatorer

Forskningsprojekt, 2016 – 2021

Projektet kommer att utveckla en unik forskningsmetodik som möjliggör ny förståelse av katalytiska reaktioner på atomär nivå. Kunskapen skall användas för att skräddarsy avancerade katalytiska material för nyckelreaktioner i framtidens energisystem.

En katalysator är ett ämne som utan att själv förbrukas ökar hastigheten för en kemisk reaktion. Katalytiska tekniker är väsentliga i många sektorer av samhället. Mer än 90 % av alla kemikalier är producerade med katalysatorer. I omställningen till ett hållbart samhälle spelar katalytiska processer en avgörande roll. Syntes av förnybara bränslen är ett viktigt exempel.

Dagens katalysatorer är till största delen utvecklade i en hantverkstradition. Genom att experimentellt tillverka och utvärdera ett stort antal olika material har fungerande katalysatorer tagits fram. Dessa katalysatorer är varken optimala med avseende på energi- eller materialåtgång. Det saknas dessutom effektiva katalysatorer för många viktiga kemiska processer – processer som företrädesvis kräver hög selektivitet. Två exempel är framställning av metanol genom direkt oxidation av metan och genom reduktion av koldioxid.

Själva hjärtat i katalysatorn är dess yta på vilken de kemiska reaktionerna sker. För att avsevärt förbättra katalysatorns funktion krävs förståelse och kunskap om ytreaktionerna. Under de senaste åren har utvecklingen av experimentella tekniker för att studera reaktioner på ytor under realistiska förhållanden varit snabb. Vi ser här ett paradigmskifte där det blir möjligt att på atomär nivå identifiera och modifiera de aktiva centra där de katalytiska reaktionerna faktiskt sker.

De tekniska genombrotten är till stor del en följd av möjligheten att använda synkrotronljus inom katalysforskning. Parallellt med de experimentella framstegen har utvecklingen av kvantmekaniska beräkningar och metoder för att förstå katalys från atomära egenskaper, öppnat upp för teoretisk design av nya material.

I projektet samlar och integrerar vi expertis inom områden som behövs för framgångsrik forskning inom katalys på den atomära skalan. Genom att använda avancerade syntesmetoder för att skräddarsy material och kraftfulla metoder baserade på synkrotronljus blir atomär kontroll möjlig även under reaktionsbetingelser. I arbetet används modellering baserad på kvantmekaniska beräkningar både för analys av experiment och för att förutsäga nya materialkombinationer. På detta sätt skapas en unik återkoppling mellan experiment och teori som möjliggör genombrott inom katalysforskning.

Projektet har som övergripande mål att ta fram en ny forskningsmetodik som ger en detaljerad kunskap om katalytiska reaktioner på atomär nivå. Landvinningarna skall användas för att skräddarsy nästa generation av katalysatorer som kommer att vara hörnstenar i framtidens energisystem.