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

Relaterede dokumenter
Fremtidens Energiforsyning

Nye Energiteknologier: Danmarks fremtidige energisystem uden fossile brændstoffer Brændselsceller og elektrolyse

Nanoscience og nanotechnology: Infrastructure in the future

Skalerbare elektrolyse anlæg til produktion af brint i forbindelse med lagring af vedvarende energi

gul energi Forskerne gemmer sol til natten ved hjælp af katten.

Reaktionsmekanisme: 3Br 2 + 3H 2 O. 5Br - + BrO H + Usandsynligt at alle 12 reaktantpartikler støder sammen samtidig. ca.

Baggrund og introduktion til fagområder

Katalyse på nano - avancerede eksperimentelle og teoretiske teknikker, hvilket har ført til et gennembrud i den detaljerede

Reaktionshastighed og ligevægt

Gymnasieøvelse i Skanning Tunnel Mikroskopi (STM)

Energi på lager. CASE Catalysis for Sustainable Energy. Følg forskernes jagt på ren energi og fremtidens brændstoffer. Elisabeth Wulffeld Anne Hansen

BWT For You and Planet Blue.

Session 2 - Energimaterialer

Lys og molekyler. Bo W. Laursen Nano-Science Center & Kemisk Institut Københavns Universitet

Naturgassens rolle i fremtidens danske energimarked

Bæredygtig Udvikling i Grundfos. Stig Koust Sustainable Product Specialist Aarhus Tech

Nr Den rene os Fag: Kemi A/B Udarbejdet af: Michael Bjerring Christiansen, Århus Statsgymnasium, februar 2009

Energforsyning koncepter & definitioner

Transforming DONG Energy to a Low Carbon Future

Energi i fremtiden i et dansk perspektiv

-kan landbruget lave både mad og energi samtidig? Claus Felby Det Natur- og Biovidenskabelige Fakultet Københavns Universitet

BYGNINGER OG FREMTIDENS ENERGISYSTEM

Integreret energisystem Elevvejledning

Gaskonference 2014 Brint og brændselsceller. Partnerskabet for brint og brændselsceller 14. november 2014

Lidt om mig. Julie Jannerup. ~4 år hos Haldor Topsoe. Catalyst specialist Technical service engineer

Lars Yde, Hydrogen Innovation & Research Centre v/ HIH Århus Universitet

Den Danske Brint- og Brændselscelledag MeGa-stoRE 2

Katalyse i grænseområdet mellem fysik og kemi En Bohr guldmedalje værd

FREMTIDENS ØKONOMI ER CIRKULÆR

Fyldt med energi Ny Prisma Fysik og kemi 8. Skole: Navn: Klasse:

Muligheder og udfordringer ved overskydende elproduktion. Seniorkonsulent Steen Vestervang, Energinet.dk

IFT 60 år 15. maj 2009

En ny verden: Nanoscience

Horizon2020 og kemikalierne Christian Holstein Specialkonsulent

Elværkernes rolle i brintvisionen

Fremtidens distribuerede energisystem med fokus på micro-chp Vejle, 9. September Danfoss A/S Per Balslev, Danfoss Fuel Cell Business

Behov for el og varme? res-fc market

TEKNOLOGISKE UDFORDRINGER FOR MINDRE OPERATØRER. Kate Wieck-Hansen

30 Nanoteknologiske Horisonter

Energiteknologi. Præsentation: Niveau: 8. klasse. Varighed: 8 lektioner

Brint frem for biomasse i energisystemet?

Dansk Sammenfatning Nov A portfolio of power-trains for Europe: a fact-based analysis. McKinsey & Company:

FRA KLIMAAFTALE TIL GRØN VÆKST

Remote Telecom Sites. Praktiske erfaringer med konventionelle og vedvarende energikilder inden for Tele. Mogens G. Nielsen

NO X emissioner fra brændsler. Anne Mette Frey

Energiscenarier for 2030

Kan et støvkorn påvirke dannelsen af en stjerne? Liv Hornekær

STREAM: Sustainable Technology Research and Energy Analysis Model. Christiansborg, 17. september 2007

Gas og el det perfekte mix

s nyt u MEDDELELSER FRA SELSKABET FOR NATURLÆRENS UDBREDELSE September 2011 Stiftet 1824 af H.C. Ørsted

Er der vedvarende energi nok til os alle?

Velkommen. NATIONALT CENTER FOR ENERGILAGRING Gå-hjem møde tirsdag den 22. januar kl på DTU

HYSCENE. - Environmental and Health Impact Assessment of Scenarios for Renewable Energy Systems with Hydrogen

Teknologiudvikling indenfor biomasse. Claus Felby Faculty of Life Sciences University of Copenhagen

Undervisningsplan for fysik/kemi, 9.A 2015/16

Jeg vågner.. At gemme energi

Hvad er brint og kan det bruges I Grønland? Peter Kjeldmann Nukissiorfiit Brint-ansvarlig

FutureGas - anvendelse og integration af gasser i fremtidens energisystem. Professor Poul Erik Morthorst Systemanalyseafdelingen

Europa 2020: Klimadagsordnen frem mod COP 16 et perspektiv fra civilsamfundet. John Nordbo WWF Verdensnaturfonden 21. maj 2010

katalysatorer f i g u r 1. Livets undfangelse på et celluært plan.

Mindre CO2 og mere VE Konkrete udfordringer for Hovedstadsområdet

Asbjørn Madsen Årsplan for 8. klasse Fysik/Kemi Jakobskolen

Ammoniak som grønt brændstof

Den danske brint- og brændselscelledag Biocat Power to gas via biologisk metanisering

Brint og grønne brændstoffers rolle i fremtidens smarte energi systemer

Kernekraft - i dag og i morgen. Bent Lauritzen Risø DTU 20. september 2011

Danmark i 2030 Et land i vækst og velstand drevet af cirkulær økonomi

inspirerende undervisning

Undervisningsbeskrivelse

Bilag 1 Teknisk notat vedr. TRU spm og 1212

Behovet for politisk handlekraft. Theresa Scavenius, PhD, Lektor Institut for Planlægning, AAU København

Kemi A. Studentereksamen. Onsdag den 4. juni indd 1 26/02/

Åbent hus på DTU Risø Campus

Challenges for the Future Greater Helsinki - North-European Metropolis

Hvorfor guld er det ædleste metal et studie med tæthedsfunktionalteori

De danske muligheder for omstilling til en bioøkonomi hvilken omstilling taler vi om? Anne Maria Hansen, Teknologisk Institut

Vejen fra forskning til det kommercielle marked

Vindmøller i dag og i morgen. SVP Product Management Johnny Thomsen Vindtræf November 2015 i Aarhus

Analyser af biomasse i energisystemet

Energivision hvad koster det? Et overslag over prisen på udfasning af fossil energi indtil 2030

SDU og Fyns fremtidige energisystem

The soil-plant systems and the carbon circle

Information om håndtering af koncentreret myresyre

Fysik/kemi. Fagets overordnede rammer. Formål. Fagplan

LÆS DENNE PIXI BOG OM ENERGI I NORDJYLLAND FOR AT:

Velkommen til Avanceret Energilagring. Dr. Frank Elefsen, CTO Energy & Climate, fre@dti.dk

Science på Gærum Skole Baggrund for fællesfaglig naturfagsprøve Eksempel på forløb Gruppearbejde om inddragelse af alle tre fag Eksempler på oplæg

Møde med EFK-udvalget

Solenergi i dansk energiforsyning, EUDPs rolle og grøn eksport

Titler på eksamensspørgsmål til kemi B maj/juni 2018

Future Gas projektet. Gas som en integreret del af det fremtidige Energisystem

Undervisningsbeskrivelse

Kan luftforurening give pollenallergi?

HyBalance. Fra vindmøllestrøm til grøn brint. House of Energy: Overskydende el-produktion Lars Udby / 14. april 2016

Jorden og solen giver energi Ny Prisma Fysik og kemi 8. Skole: Navn: Klasse:

TILBUD TIL DIG OG DINE ELEVER PÅ NATURVIDENSKAB

85/15. Har naturgassen fortsat en rolle i energiforsyningen? Kurt Bligaard Pedersen Koncerndirektør, DONG Energy

Alternative drivmidler

Det Fremtidige Energisystem

Foreningen af Bæredygtige byer og bygninger 16. juni CO2 Beregneren

Transkript:

Katalyse for bæredygtig produktion af brændstoffer og kemikalier Jakob Kibsgaard jkib@fysik.dtu.dk Danmarks Fysik og Kemilærerforening København/Sjælland, Generalforsamling 2017 1

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: 2009-2010: Stanford University 2011-2012: Aarhus Universitet 2013-2016: Stanford University 2016 - nu: DTU jkib@fysik.dtu.dk 2

http://www.energi.case.dtu.dk/ 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

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

Hvad arbejder vi med i SurfCat? 5

Hvad er en katalysator? 6

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

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

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

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

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

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, 15729 15735 12

Terawatt udfordringen > 500 EJ (exa = 10 18 ) 18 TW Richard Smalley Nobelpris modtager 1943 2005 Any future energy technology has to be scalable to the TW level Smalley MRS Bull. 2005 Fra: Global Energy Assessment: Towards a sustainable future 13

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 10 12 W tera 14

Terawatt udfordringen > 500 EJ (exa = 10 18 ) 18 TW Richard Smalley Nobelpris modtager 1943 2005 Any future energy technology has to be scalable to the TW level Smalley MRS Bull. 2005 Fra: Global Energy Assessment: Towards a sustainable future 15

CO 2 udledning 16

2 timer 1 år 17

Sol og vindenergi bliver billigere Abu Dhabi (350 MW solcelle anlæg) Laveste bud: 2.42 US cents /kwh. http://www.thenational.ae Kriegers Flak (600 MW offshore vindmøller) The lowest bid: 37.2 øre/kwh (5.3 US cents /kwh) http://efkm.dk 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

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 2040 19

Hvor kommer energien fra og hvor bliver er den brugt? 1 quad = 10 15 BTU = 1.055 10 18 J 20

Bæredygtig produktion af brændstoffer og kemikalier? 21

SurfCat: Elektrokatalyse N 2 CO 2H2 O Elektrokatalyse 22

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

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 www.iea.org : TechnologyRoadmapHydrogenandFuelCells.pdf CO + H 2 O CO 2 + H 2 24

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

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 + + 2 e H 2 E = 0 V H 2 O ½ O 2 + 2 H + + 2 e E = 1.23 V 26

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

Mange knapper at skrue på 28

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 (1869 1953) Carl Boschs assistent Udførte over 10.000 ammoniak syntese eksperimenter på 4.000 forskellige katalysatorer 29

Mekanisme for brint udvikling Volmer Tafel Volmer Heyrovsky 30

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), 5308-5309. Ædelmetallet platin (Pt) 31

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), 5308-5309. 32

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), 5308-5309. T. F. Jaramillo, K. P. Jørgensen, J. Bonde, J. H. Nielsen, S. Horch, I. Chorkendorff, Science 2007, 317, (5834), 100-102 33

Ultra Høj Vakuum 34

Skanning Tunnel Mikroskopi Afbillede overflader med atomar opløsning! 35

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

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), 100 102 37

Hvor god er MoS 2? 38

MoS 2 nanostrukturering Web of Science, dato: 171017 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.146 39

Maksimer antallet af aktive sites J.V. Lauritsen, J. Kibsgaard, F. Besenbacher et al. Nature Nanotechnology 2 (2007) 53 58 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

Syntese af (NH 4 ) 2 [Mo 3 S(S 2 ) 6 ] nh 2 O + (NH 4 ) 2 S x + H 2 O 95-98 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, 248 253 41

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, 248 253 42

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, 248 253 8±2 10 12 [Mo 3 S 13 ] 2- clusters per cm 2 HOPG 43

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.146 44

Udvikling efter sulfider J. Kibsgaard, T. F. Jaramillo, ANGEWANDTE CHEMIE INTERNATIONAL EDITION Vol.: 53 Is.: 52 P.: 14433 14437 (2014) Adapted from: Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo, Science 2017, 355, 6321, p.146 45

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

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, 70 81 (2017) 47

Hvad vil vi gerne lave? 48

Sammensætte en katalysator atom for atom 49

50