Tema

Material till framtidens katalysatorer testas i nanotunnlar

Med hjälp av en ny sorts nanoreaktor har forskare från Chalmers lyckats kartlägga den katalytiska prestandan hos enskilda metalliska nanopartiklar. Den nya metoden är viktig för att kunna studera och förbättra kemiska processer. 

Katalysatorer spelar en nyckelroll i vårt samhälle. De underlättar kemiska reaktioner och behövs för att framställa alltifrån bränslen till läkemedel. Katalysatorerna i våra bilar begränsar skadliga utsläpp, men även ny hållbar teknik som bränsleceller bygger på katalytiska processer. I bränsleceller genereras elen med hjälp av en reaktion mellan syre och väte.

Katalysatorer kan också bidra till att bryta ner miljögifter, till exempel genom att rena vatten från giftiga kemikalier.

Bilden ovan visar hur en nanoreaktor belyser aktiviteten hos individuella katalytiskt aktiva nanopartiklar. För att veta vilken partikel som gör vad i den katalytiska processen, isolerar forskarna ett antal nanopartiklar av guld i varsin nanotunnel. För att mäta den katalytiska förmågan hos guldpartikeln skickar de sedan in två sorters molekyler som reagerar på partikelns yta. Den ena molekylen (fluorescein) är självlysande och när den möter sin partnermolekyl (borhydrid) slocknar den. På så sätt går det att läsa av den katalytiska processen med hjälp av ljuset i nanotunneln. Bild: Sune Levin, Chalmers

För att designa framtidens effektiva katalysatorer krävs ny grundläggande kunskap om hur man hittar guldkornen i ett virrvarr av katalytiskt aktiva partiklar. Dagens katalysatorer kan liknas vid publikhavet på en fotbollsarena där ett antal åskådare tänder varsin brandfackla. Röken sprider sig snabbt och i rökmolnet är det i princip omöjligt att säga vilka som har facklor och hur kraftigt varje fackla brinner. På samma sätt fungerar de kemiska reaktionerna i en katalysator. Ett myller av miljarder partiklar ingår i den kemiska processen, men det går inte att urskilja vilka individer som gör vad, hur effektiva de är och vilka egenskaper som är optimala.

Nanoreaktor testar enskilda molekyler

För att förstå vilka nanopartiklar som fungerar bäst i en katalytisk process är det nödvändigt att dyka in på individnivå. Det är precis vad Chalmersforskarna har gjort – rent bokstavligt. Deras nya nanoreaktor består nämligen av ett femtiotal parallella vätskefyllda nanotunnlar av glas. I varje liten tunnel har de placerat en enda metallisk nanopartikel av guld. Även om guldpartiklarna är lika stora, har de olika katalytiska egenskaper. På vissa partiklar sker den kemiska reaktionen effektivt, medan den på andra sker betydligt mindre optimalt. För att kunna avgöra hur storlek och nanostruktur påverkar katalysen har forskarna alltså låtit dem bekänna färg i enrum.

– Vi skickar in två sorters molekyler som ska reagera med varandra på nanopartiklarnas yta inne i nanotunnlarna. Den ena molekylsorten är självlysande och släcks när den träffat sin partner på nanopartikelns yta och den kemiska reaktionen har ägt rum. På så sätt kan vi se på mängden ljus i tunnlarna hur effektiva de olika nanopartiklarna är i att katalysera den kemiska reaktionen, säger Sune Levin, doktorand vid institutionen för biologi och bioteknik på Chalmers.

Han är den vetenskapliga artikelns försteförfattare och har under ledning av de biträdande professorerna Fredrik Westerlund och Christoph Langhammer utfört de flesta experimenten. Den nya nanoreaktorn är ett resultat av ett brett samarbete mellan forskare på flera olika institutioner på Chalmers.

– Effektiv katalys är avgörande både vid tillverkning och nedbrytning av kemikalier. Det kan handla om att tillverka plaster, medicin eller bränsle på bästa sätt, eller att effektiv bryta ner miljögifter, säger Fredrik Westerlund, biträdande professor på institutionen för biologi och bioteknik på Chalmers.

Katalys är den inverkan som en katalysator har på förloppet i en kemisk reaktion. I en katalysator är nanopartiklar ofta en av de avgörande aktiva beståndsdelarna, eftersom de kemiska reaktionerna sker på deras ytor. Det mest kända exemplet är sannolikt trevägskatalysatorn i en personbil, som har till uppgift att begränsa skadliga utsläpp. Inom industrin sker katalys i stor skala.
Katalytiska processer spelar också en nyckelroll i ny hållbar energiteknik som till exempel bränsleceller. För att utveckla framtidens katalys krävs nya och mer effektiva material. Därför är det nödvändigt att kunna kartlägga hur storlek, form, nanostruktur och kemisk komposition påverkar nanopartiklars prestanda i en katalysator.

Att utveckla framtidens katalysatormaterial är avgörande för en hållbar framtid och det finns stora samhällsekonomiska vinster att göra.

– Om nanopartiklarna i en katalysator kunde skräddarsys bättre än idag, skulle samhället dra enorm nytta av det. I den kemiska industrin motsvarar till exempel en processeffektivisering med bara några få procent signifikant ökade intäkter, samtidigt som miljöpåverkan skulle minska, säger forskningsprojektets ledare Christoph Langhammer, biträdande professor på institutionen för fysik på Chalmers.

Vetenskaplig artikel:

A nanofluidic device for parallel single nanoparticle catalysis in solution, Sune Levin, Joachim Fritzsche, Sara Nilsson, August Runemark, Bhausaheb Dhokale, Henrik Ström, Henrik Sundén, Christoph Langhammer och Fredrik Westerlund, Chalmers. Publicerad i Nature Communications

Kontakt:

Fredrik Westerlund, biträdande professor, institutionen för biologi och bioteknik, Chalmers, fredrik.westerlund@chalmers.se
Sune Levin, doktorand, institutionen för biologi och bioteknik, Chalmers, lsune@chalmers.se
Christoph Langhammer, biträdande professor, institutionen för fysik, Chalmers, clangham@chalmers.se

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Material till framtidens katalysatorer testas i nanotunnlar

 lästid ~ 4 min