Ljuset i nanotunneln visar vägen mot framtidens katalysatorer

Nu ser Chalmersforskare ljuset i nanotunneln som ska leda oss mot effektivare katalysatorer och mer miljövänlig kemiteknik. Med hjälp av en ny sorts nanoreaktor har forskarna lyckats kartlägga den katalytiska prestandan hos enskilda metalliska nanopartiklar. Den nya metoden är viktig för att kunna studera och förbättra kemiska processer. Resultaten publicerades nyligen i den ansedda tidskriften Nature Communications. 

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.

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.

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 molekylensorten 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.

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.

Läs den vetenskapliga artikeln, "A nanofluidic device for parallel single nanoparticle catalysis in solution".

För mer information:

Fredrik Westerlund, biträdande professor, institutionen för biologi och bioteknik, Chalmers
031 772 30 49, fredrik.westerlund@chalmers.se

Sune Levin, doktorand, institutionen för biologi och bioteknik, Chalmers
076 242 92 68, lsune@chalmers.se

Christoph Langhammer, biträdande professor, institutionen för fysik, Chalmers
031 772 33 31, clangham@chalmers.se

Mer om forskningen bakom de nya resultaten

Den vetenskapliga artikeln "A nanofluidic device for parallel single nanoparticle catalysis in solution" har publicerats i Nature Communications och är skriven av Sune Levin, Joachim Fritzsche, Sara Nilsson, August Runemark, Bhausaheb Dhokale, Henrik Ström, Henrik Sundén, Christoph Langhammer och Fredrik Westerlund. Forskarna är verksamma vid institutionerna för biologi och bioteknik, fysik, kemi och kemiteknik, samt mekanik och maritima vetenskaper. Projektet föddes inom ramen för det nuvarande excellensinitiativet nano på Chalmers (tidigare styrkeområde nanoteknik och nanovetenskap).
Forskningen har finansierats av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse och European Research Council.

Fakta om katalys

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.