Partial methane oxidation: insights from first principles and micro-kinetics calculations

Doktorsavhandling, 2019

Kan man styra vilka produkter som bildas i en kemisk reaktion? Universum tenderar att föredra den produkt som är mest stabil. Men säg att vi skulle  vilja ha något som inte är den mest stabila produkten men av någon anledning mer värdefull från en kemisk reaktion. Hur gör vi då?
För att ta ett konkret exempel: natur- och biogas, som till största delen består av metan, finns där fossila bränslen som råolja förekommer, respektive där matrester bryts ner. Vi kan mycket väl använda denna gas för att till exempel tanka en bil. Problemet är att det är svårt samla upp gasen. På en  soptipp där biogas bildas över väldigt stora områden och släpps ut i luften är det väldigt svårt. Där man borrar efter olja får man också upp mängder av naturgas, vilket i praktiken är omöjlig att ta tillvara på eftersom oljekällorna ofta finns på otillgängliga platser. Istället för att släppa naturgasen fri i  atmosfären bränner man den så det bildas koldioxid. Det är det minsta av två onda ting – naturgas är en mycket värre växthusgas än koldioxid. Men tänk om vi hade kunnat få något annat än koldioxid. Tänk om vi hade kunnat omvandla naturgasen till ett flytande bränsle, till exempel metanol. En  vätska är mycket enklare att ta tillvara på och transportera dit man kan ha användning för den. Här återkommer vi till den stora frågan. Kan vi på något sätt styra den kemiska reaktionen och omvandla naturgas till något annat än koldioxid? Helst vill vi också att det ska gå snabbt, vara enkelt och effektivt. Är det möjligt? Svaret är ja, nästan. Det går faktiskt att styra en kemisk reaktion så att man får vad man önskar. Men det är inte helt problemfritt. För tillfället måste vi välja mellan att göra det som är enkelt och effektivt eller att få något mer användbart men långsamt och ineffektivt.
Till att börja med behövs en katalysator, ett ämne som hjälper reaktionen. Men det duger inte med vilken katalysator som helst. Den behöver ha rätt egenskaper, egenskaper som gör det fördelaktigt att få just den produkt vi önskar. Experimentellt är det möjligt att testa sig fram och försöka göra reaktionen på olika sätt eller med olika katalysatorer. Men för att kunna förstå och förklara dessa egenskaper är det ofta till stor hjälp att använda datormodeller av katalysatorn samt den kemiska reaktionen som sker. I en datormodell vet vi exakt vad vi har, var alla atomer sitter och vad som bildas. Modellerar vi det tillräckligt väl kan vi förutsäga vad som bildas under reaktionen och hur mycket av olika produkter vi får.
I den här avhandlingen undersöker vi just den här reaktionen, att omvandla metangas till flytande metanol, med hjälp av datormodeller som beskriver katalysatorn och vad som kan ske. En stor fråga, som är avgörande för vår modell är var på katalysatorn reaktionen sker. Vilka atomer består den av? Hur är dessa orienterade i förhållande till varandra och var sitter de på katalysatorn? Detta har vi undersökt. Genom att testa olika strukturer och beräkna vilka signaler de skulle ge upphov till kan vi jämföra med experimentella resultat och bekräfta eller utesluta olika katalysatorer. Dessa undersökningar av vilka katalysatorer som kan omvandla metangas till flytande metanol hjälper oss att förstå vad som krävs för att göra detta. Förstår vi vad som krävs kan vi designa nya och bättre katalysatorer som gör samma reaktion men mycket effektivare. I framtiden kanske till och med så pass effektivt att man kan ta tillvara på all den naturgas och biogas som idag går till spillo för att det helt enkelt inte finns något lönsamt alternativ.