Katalyse. for bæredygtig produktion af brændstoffer og kemikalier. Jakob Kibsgaard.

Transkript

1 Katalyse for bæredygtig produktion af brændstoffer og kemikalier Jakob Kibsgaard Danmarks Fysik og Kemilærerforening København/Sjælland, Generalforsamling

2 Hvem er jeg, og hvordan er jeg endt på DTU? Uddannet på Aarhus Universitet: 2006: Cand. Scient. i Materiale Fysik og kemi 2008: PhD i Fysik og Nanoscience Forskningserfaring: : Stanford University : Aarhus Universitet : Stanford University nu: DTU jkib@fysik.dtu.dk 2

3 CASE Catalysis for Sustainable Energy CINF Center for Individual Nanoparticle Functionality SurfCat Surface Physics & Catalysis V SUSTAIN The VILLUM Center for the Science of Sustainable Fuels and Chemicals 3

4 SurfCat sektion Ib Chorkendorff Professor Jane Hvolbæk Nielsen Institutdirektør, professor Christian D. Damsgaard Lektor Sebastian Horch Lektor Jakob Kibsgaard Adjunkt Peter C. K. Vesborg Lektor Brian Seger Lektor Debasish Chakraborty Scientific Business Developer 4

5 Hvad arbejder vi med i SurfCat? 5

6 Hvad er en katalysator? 6

7 Værdien af katalyse Det globale marked for katalysatorerne alene er 28 mia. US$ per år Data fra den Internationale Valutafond 7

8 Hvad er katalyse? katalyse, det fænomen, at en katalysator øger hastigheden af en kemisk reaktion uden selv at forbruges (katalysatoren indgår ikke i bruttoreaktionen). Mange kemiske reaktioner forløber meget langsomt eller slet ikke, selv ved høje temperaturer, fordi aktiveringsenergierne er meget store. Tilstedeværelse af en katalysator giver mulighed for en reaktionsmekanisme med lavere aktiveringsenergi. Reaktion: A + B AB Oprindelse: af græsk katalysis 'opløsning', afledt af katalyein, af kata 'ned' og lyein 'løse' 8

9 Fire generelle typer af katalysatorer Biokatalysatorer f.eks. enzymer Homogene katalysatorer F.eks. Overgangsmetal komplekser Konventionelle Heterogene katalysatorer F.eks. metal nanopartiker Elektrokatalysatorer F.eks. metal nanopartiker Fotosyntese Kvælstoffiksering Finkemikalier til f.eks. lægemidler Bilkatalysator Olieraffinaderi processer Ammoniak produktion Brændselsceller Elektrolyse af vand Reduktion af CO 2 Elektrokemisk (H + og e overførsler) Ambient temperatur Ambient tryk Væskefase (vandig) Elektrokemisk / Thermokemisk Lav middel temperaturer Bredt tryk område Væskefase (vandig eller ikke vandig) Thermokemisk Bredt temperatur område Bredt tryk område Gas eller væskefase Elektrokemisk (Thermokemisk) Bredt temperatur område Bredt tryk område Væskefase eller fast Adapted from Prof. Tom Jaramillo, Stanford University 9

10 Store grand udfordringer i det 21. århundrede Mineraler Fødevarer produktion Miljø og Klima forandring Konflikt og terrorisme Biodiversitet Vandressourcer Prisbillig sundhedspleje Energiforsyning og energilagring 10

11 Katalyse er vigtigere end nogensinde Mineraler Fødevarer produktion Miljø og Klima forandring Katalyse Konflikt og terrorisme Biodiversitet Vandressourcer Prisbillig sundhedspleje Energiforsyning og energilagring 11

12 Energiudfordringen The supply of secure, clean, sustainable energy is arguably the most important scientific and technical challenge facing humanity in the 21 st century. Prof. Dan Nocera Harvard University Hvordan kan vi levere energi til at drive vores planet på en bæredygtig måde? PNAS, 2006, vol. 103, no. 43,

13 Terawatt udfordringen > 500 EJ (exa = ) 18 TW Richard Smalley Nobelpris modtager Any future energy technology has to be scalable to the TW level Smalley MRS Bull Fra: Global Energy Assessment: Towards a sustainable future 13

14 Globalt energiforbrug Globalt energiforbrug (effekt): 2013: 18 TW 2050: 30 TW 1 W 10 3 W kilo 10 6 W mega 10 9 W giga W tera 14

15 Terawatt udfordringen > 500 EJ (exa = ) 18 TW Richard Smalley Nobelpris modtager Any future energy technology has to be scalable to the TW level Smalley MRS Bull Fra: Global Energy Assessment: Towards a sustainable future 15

16 CO 2 udledning 16

17 2 timer 1 år 17

18 Sol og vindenergi bliver billigere Abu Dhabi (350 MW solcelle anlæg) Laveste bud: 2.42 US cents /kwh. Kriegers Flak (600 MW offshore vindmøller) The lowest bid: 37.2 øre/kwh (5.3 US cents /kwh) Swanson's lov: prisen på solcellemoduler har tendens til at falde med 20% for hver fordobling af den kumulativt afsendte mængde. Råolie pris oktober 2017: ~ 50 US$ per tønde = ~ 3 US cents per kwh 18

19 ExxonMobil s syn på energi i fremtiden Andel af primær energi Andre vedvarende Vind/sol Kernekraft Kul Gas Olie ExxonMobil, 2017 Outlook for Energy: A View to

20 Hvor kommer energien fra og hvor bliver er den brugt? 1 quad = BTU = J 20

21 Bæredygtig produktion af brændstoffer og kemikalier? 21

22 SurfCat: Elektrokatalyse N 2 CO 2H2 O Elektrokatalyse 22

23 En mulig bæredygtig fremtid Adapted from: Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo, Science. 2017, 355 (6321). 23

24 Brint Kemisk reagens Energibærer Oil Ammoniak Hydrotreating Elektronik Køretøjer Huse Oprindelse af den globale brint produktion (~50 billion kg/år) 4% H 2 Steam reforming 18% 48% Natur gas 30% Oile Kul Elektrolyse C n H m + nh 2 O nco + (n + ½m) H 2 CH 4 + H 2 O CO + 3H 2 : TechnologyRoadmapHydrogenandFuelCells.pdf CO + H 2 O CO 2 + H 2 24

25 Bæredygtig brint produktion Ilt (O 2 ) Brint (H 2 ) 2H 2 O 2H 2 + O 2 Vand (H 2 O) 25

26 Elektrokemisk splitning af vand Reference elektrode Mod-elektrode grafit H 2 O 2 Arbejds-elektrode Splitning af vand Totale reaktion H 2 O H 2 + ½ O 2 ΔE = 1.23 V Brint udvikling: Reducerende halv celle reaktion: Ilt udvikling: Oxiderende halv celle reaktion: 2 H e H 2 E = 0 V H 2 O ½ O H e E = 1.23 V 26

27 Hvad gør en katalysator god? TEM billede: Christian D. Damsgaard 27

28 Mange knapper at skrue på 28

29 To tilgange til at forbedre katalytisk aktivitet o Empirisk tilgang Prøv alt! o Surface science approach Design nye katalysatorer baseret på atomar indsigt fra model systemer Brug både eksperiment og teori Eksempel: Alwin Mittasch ( ) Carl Boschs assistent Udførte over ammoniak syntese eksperimenter på forskellige katalysatorer 29

30 Mekanisme for brint udvikling Volmer Tafel Volmer Heyrovsky 30

31 Brint udvikling katalyse Brint udvikling katalyse: 2H + + 2e - H 2 Elektrode overdefladen bestemmer overpotentialet. B. Hinnemann, P.G. Moses, J. Bonde, K.P. Jørgensen, J. H. Nielsen, S. Horch, I. Chorkendorff, J.K. Nørskov, JACS 2005, 127, (15), Ædelmetallet platin (Pt) 31

32 Brint udvikling katalyse Inspireret af naturen Brint udvikling katalyse: 2H + + 2e - H 2 Elektrode overfladen bestemmer overpotentialet. Nitrogenase model B. Hinnemann, P.G. Moses, J. Bonde, K.P. Jørgensen, J. H. Nielsen, S. Horch, I. Chorkendorff, J.K. Nørskov, JACS 2005, 127, (15),

33 Brint udvikling katalyse MoS 2 Brint udvikling katalyse: 2H + + 2e - H 2 Elektrode overfladen bestemmer overpotentialet.? Mo kant af MoS 2 B. Hinnemann, P.G. Moses, J. Bonde, K.P. Jørgensen, J. H. Nielsen, S. Horch, I. Chorkendorff, J.K. Nørskov, JACS 2005, 127, (15), T. F. Jaramillo, K. P. Jørgensen, J. Bonde, J. H. Nielsen, S. Horch, I. Chorkendorff, Science 2007, 317, (5834),

34 Ultra Høj Vakuum 34

35 Skanning Tunnel Mikroskopi Afbillede overflader med atomar opløsning! 35

36 Syntese af MoS 2 Mo metal fordamper H 2 S doser Au(111) overflade (802 x 795 Å 2 ) (141 x 135 Å 2 ) Au(111) overflade Filament til opvarmning 36

37 Brint udviklingsaktiviteten skalerer med kantlængden IKKE arealet! T. F. Jaramillo, K. P. Jørgensen, J. Bonde, J. H. Nielsen, S. Horch, I. Chorkendorff, Science 2007, 317, (5834),

38 Hvor god er MoS 2? 38

39 MoS 2 nanostrukturering Web of Science, dato: Søgning på : MoS 2 Hydrogen evolution Adapted from: Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo, Science 2017, 355, 6321, p

40 Maksimer antallet af aktive sites J.V. Lauritsen, J. Kibsgaard, F. Besenbacher et al. Nature Nanotechnology 2 (2007) n n = number of Mo atoms on the cluster edge n = 12 n = 8 n = 7 n = 6 n =6 n = 5 n = 4 n = 4 n = 3 Mo 78 S 204 Mo 36 S 104 Mo 28 S 84 Mo 21 S 66 Mo 21 S 56 Mo 15 S 42 Mo 10 S 30 Mo 10 S 24 Mo 6 S 20 Thiomolybdate [Mo 3 S 13 ] 2- clusters Top view S (apical) Side view S (terminal) Mo-edge S (bridging) S-edge A Müller et al, Angew. Chem. lnt. Ed. Engl. 17 (1978) No. 7 40

41 Syntese af (NH 4 ) 2 [Mo 3 S(S 2 ) 6 ] nh 2 O + (NH 4 ) 2 S x + H 2 O C for 5 days Ammonium molybdate Ammonium polysulfide As synthesized After hot toluene wash X-ray Diffraction (XRD) J. Kibsgaard, T. F. Jaramillo and F. Besenbacher, Nature Chemistry, 2014, 6,

42 Elektrode præparation og XPS X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) Nem elektrode præparation: 1 mm Opløs in metanol Drop cast på: Toray grafit papir HOPG 1 cm 2 Toray grafit papir HOPG J. Kibsgaard, T. F. Jaramillo and F. Besenbacher, Nature Chemistry, 2014, 6,

43 STM af [Mo 3 S 13 ] 2 clusters Scanning Tunneling Microscopy Afbillede overflader med atomar opløsning! Pristine Anodized HOPG [Mo 3 S 13 ] 2- clusters on anodized HOPG 5 nm 1 nm J. Kibsgaard, T. F. Jaramillo and F. Besenbacher, Nature Chemistry, 2014, 6, ± [Mo 3 S 13 ] 2- clusters per cm 2 HOPG 43

44 Brint udviklingsaktivitet af [Mo 3 S 13 ] 2 clusters Adapted from: Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo, Science 2017, 355, 6321, p

45 Udvikling efter sulfider J. Kibsgaard, T. F. Jaramillo, ANGEWANDTE CHEMIE INTERNATIONAL EDITION Vol.: 53 Is.: 52 P.: (2014) Adapted from: Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo, Science 2017, 355, 6321, p

46 Den anden side: ilt udvikling 2 H 2 O 2H 2 + O 2 Brint udvikling Ilt udvikling Adapted from: Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo, Science. 2017, 355 (6321). 46

47 Brug for nye design strategier for katalysatorer Brint udvikling: H + + e + * H* H* + H + + e H 2 + * or 2H* H 2 + 2* Ilt udvikling: H 2 O + * OH* + H + + e OH* O* + H + + e O* + H 2 O OOH* + H + + e OOH* O 2 + * + H + + e J. H. Montoya, L. C. Seitz, P. Chakthranont, A. Vojvodic, T. F. Jaramillo & J. K. Nørskov, Nature Materials 16, (2017) 47

48 Hvad vil vi gerne lave? 48

49 Sammensætte en katalysator atom for atom 49

50 50