Stor EU-bevilling skal gøre blandede metaller til fremtidens katalysator

Fremtidens grønne brændstoffer afhænger af dem, men de er allerede en uundgåelig del af vores almindelige liv, da de bruges til at lave alt fra cremer, regnjakker og rengøringsmidler til benzin. Katalysatorer sætter skub i en kemisk udvikling og en reaktion mellem andre stoffer, og lige nu forskes der intenst i at finde nye og bedre katalysatorer, som også kan bruges til den grønne omstilling.

I en ny Synergy-bevilling har Jan Rossmeisl fra Kemisk Institut på Københavns Universitet sammen med forskerne Matthias Arenz fra Bern, Alfred Ludwig fra Bochum, Karl Mayrhofer fra Erlangen i dag modtaget 10 millioner euro fra Det Europæiske Forskningsråd (ERC).

Bevillingen skal bruges til at undersøge, om man kan udvikle mere effektive, langtidsholdbare og bæredygtige katalysatorer ved at udforske såkaldte højentropi materialer (HEM) – dvs. materialer, som består af flere sammensatte metaller, modsat de materialer konventionelle katalysatorer er baseret på, som typisk kun består af et enkelt grundstof.

”Vi vil søge efter grundlæggende viden om de materialer, man kan anvende til katalysatorer, og om deres stabilitet. Dernæst håber vi, at den viden kan gøre det muligt at udvikle mere effektive og langtidsholdbare materialer til elektrokatalyse. Lykkes vi med det, kan det bane vejen til en ny generation af katalysatorer,” siger Jan Rossmeisl.

Elektrokatalyse er blandt andet forudsætningen for Power-to-X, der er udset en nøglerolle i EU’s planer om grøn omstilling, hvor man danner brint fra vand vha. elektricitet, og dermed kan man lagre energi som grønt brændstof.

”Man kan sige det ganske enkelt. Med en dobbelt så effektiv katalysator, skal vi bruge halvt så mange vindmøller til at lave den samme mængde grønt brændstof, og hvor effektiv elektrokatalysen er, det afhænger af det materiale som katalysatoren består af,” forklarer Jan Rossmeisl.

Nuværende materialer er sjældne og dyre

De processer, der foregår i Power-to-X-anlæg, foregår i et ekstremt miljø, som nedbryder næsten alt materiale meget hurtigt. Det ruster simpelthen. Det begrænser mulighederne for de materialer, man kan bruge. De nuværende elektrokatalysatorer består derfor ofte af materialer, som er både sjældne og kostbare.

Et eksempel er Iridium, der et af de mest sjældne materialer på planeten. Der bliver udvundet ganske lidt af metallet, hvilket gør prisen høj, og fremtidsudsigterne for at bruge det i stor skala dårlige.

”Kan vi udvikle ny viden og nye metoder, der gør det muligt at designe erstatninger, der er sammenblandinger af mange grundstoffer med måske kun lidt Iridium, og samtidigt kan have samme eller højere effektivitet og holdbarhed, er det både bedre og mere bæredygtigt,” siger Jan Rossmeisl.

Muligheder vi ikke kan drømme om

I det nye samarbejde vil de fire forskere bidrage med hver deres faglige spidskompetencer i en bred vifte af videnskabelige discipliner. I en databaseret tilgang vil de blandt andet kombinere teoretisk modellering og simulationer, omfattende parallelle eksperimenter, kemisk udvikling af nanopartikler og maskinlæring.

Blandingsforholdene af metaller i materialet vil gruppen forsøge at nå frem til i en vekslen mellem teori, statistiske beregninger og praktiske eksperimenter.

”I Tyskland har vi mulighed for at lave mange eksperimenter hurtigt, og teste mange forskellige sammensætninger for deres katalytiske evne og deres holdbarhed. Resultaterne kan vi bruge til at justere yderligere, inden vi til sidst forsøger at udvikle realistiske bud på egentlige komponenter,” forklarer Jan Rossmeisl.

Forskningens hovedmål er dog at omsætte den viden studierne generer til værdifuld grundforskning, som skal munde ud i en teori for stabilitet – altså en forståelse af holdbarheden af katalysator-materialer og hvordan man kan forbedre den.

”Det ved vi faktisk meget lidt om i dag, så vi håber også at kunne bidrage til den grundlæggende forståelse af, hvad der gør materialer mere stabile,” siger Jan Rossmeisl og tilføjer:

”Grundforskning i nye materialer kan ændre vores verden på måder, der ikke kan forudsiges. Jern åbnede for en verden af muligheder, som en stenaldermennesker ikke kunne drømme om, det samme gjorde materialerne i Lithium-ion batterier for relativt få år siden. Det er svært at sige, hvad nye materialer kan føre til,” siger han.