Ny katalysator kan blive grundstenen i effektiv genbrug af CO2

Hjulene begynder at trille. Summen af motoren fra den flotte Audi A8 overdøves kun af klapsalven.

Det er en almindelig forbrændingsmotor, der sidder i den tyske ministers bil, men brændstoffet er helt og aldeles klimavenligt.

Det lykkedes allerede i 2015 for tyske Sunfire at lave syntetisk 'e-diesel' fra CO₂, vand og bæredygtig strøm. Ved at lave brændstof fra CO₂ fanget fra atmosfæren samt vindmølle-strøm kan vi fortsætte med at benytte vores forbrændingsmotorer og benzin-infrastruktur – men med god samvittighed.

Perspektivet går heldigvis langt ud over dyre ministerbiler. Containerskibe og fly står over for en stor udfordring, når de skal følge elektrificeringen af for eksempel personbiler.

Der skal enormt tunge og store batterier til for at drive disse fartøjer fremad, og der er ikke tid til at parkere et containerskib i et døgn for at lade batteriet op halvvejs fra Kina til Europa.

Dertil kommer den kemiske industri, som også har brug for grønne byggesten såsom carbonmonoxid (CO).

Hvis vi kunne benytte den infrastruktur, vi allerede har opbygget, men med bæredygtige brændstoffer og kemikalier, ville vi kunne tackle klimaudfordringen langt hurtigere. Og det kan vi.

Men hvorfor kører vi så ikke allesammen rundt på e-diesel allerede? I denne artikel vil jeg gennemgå nogle af udfordringerne, og hvordan vi på DTU er kommet et godt stykke i forhold til at løse dem.

De tre ingredienser i syntetisk brændstof

Der skal blot tre ting til for at lave syntetisk brændstof.

Den første ingrediens, grøn strøm, har vi allerede i dag en hel del af. Faktisk så meget at vi på blæsefulde efterårsdage må betale nabolandene for at komme af med overproduktion.

Det er selvfølgelig fantastisk, at vi er så gode til at producere elektricitet med vindmøller, men vi kan som sagt ikke klare os alene med strøm.

Den anden ingrediens er gas. Vi har brug for både vanddamp og CO₂. Vi har i princippet rigeligt af begge dele, og CO₂ har vi som bekendt for meget af – det er dog ikke nemt at trække CO₂ ud af atmosfæren.

Det schweiziske firma, ClimeWorks, har et produkt, som er i stand til at gøre det, men det er ikke billigt. Der skal politiske tiltag til for at gøre det finansielt attraktivt at trække CO₂ ud af atmosfæren eller måske i første omgang at indfange den direkte fra den CO₂-tunge industri.

Den tredje ingrediens er dog den mest begrænsende faktor i dag. Elektrolyse er teknologien, som kan gøre det hele muligt. Med strøm kan vi lave elektrolyse af både damp og CO₂ og dermed få brint og CO. Men der skal forskning til for at gøre den teknologi rentabel.

Elektrolyse af CO2 er (indtil videre) en dyr løsning

Elektrolyse-celler er stadig dyre at producere, og desværre holder de ikke lang tid nok – endnu.

Til gengæld er de effektive, og når man benytter den type, som virker ved høj temperatur, kan man lave CO₂-elektrolyse. Det foregår ved at fjerne et oxygen-atom fra CO₂ og dermed lave CO.

Dette molekyle kan man sætte sammen med brint (som også kan laves med elektrolyse), og ved hjælp af nogle kendte kemiske reaktioner kan man så lave syntetiske brændstoffer.

Alternativt kan man bruge CO direkte i den kemiske industri, for eksempel inden for medicin og elektronik.

Problemet med kulstof

Når man prøver at fjerne et oxygen-atom fra CO₂, sker det meget nemt, at man fjerner begge oxygen-atomer, og dermed står tilbage med blot et enkelt kulstof-atom, C.

Kulstof, eller grafit, er det, du skriver med, når du tager noter med din blyant. Desværre er det ikke så smart at lave kulstof inden i en elektrolyse-celle. Der er simpelthen ikke plads, og cellen knækker hurtigt.

CO2-elektrolyse foregår ved høj temperatur, men reaktionen starter ikke af sig selv blot ved at varme cellen op. Der skal mere til. Der skal en katalysator til.

I en typisk elektrolyse-celle bruger man et metal som katalysator, nemlig nikkel. Nikkel er en super god katalysator og kan let reducere CO₂ til CO, præcis som vi gerne vil have.

Problemet er bare, at det desværre også er en rigtig god katalysator for det næste skridt, nemlig at fjerne et oxygen-atom mere fra CO og dermed lave det uønskede C.

Hvordan løser vi så dette problem?

Danmark i førersædet

Vi er faktisk førende indenfor CO₂-elektrolyse her i Danmark. Danske Haldor Topsoe laver elektrolyse-anlæg, som producerer CO fra CO₂ og har leaset flere anlæg i USA.

Teknologien fungerer, og man har fundet et niche-marked i den kemiske industri, hvor det er dyrt at bringe CO ud til små anlæg. For anvendelse i større anlæg er der stadig brug for at bringe prisen ned for at kunne konkurrere med CO fra kul eller naturgas.

En af grundene til, at prisen for CO₂-elektrolyse stadig er høj, er, at man er nødt til at begrænse, hvor meget CO₂, man omdanner. Hvis ikke man gør det, får man lavet kul og står tilbage med en knækket celle.

For at skalere op vil det være en fordel at finde en anden katalysator end nikkel, der som nævnt laver kul.

Jagten på en ny katalysator

Vi har længe ledt efter en katalysator, som kunne erstatte nikkel. Det er ikke nemt, da der er mange krav, når man skal på jagt efter et nyt materiale til en kemisk reaktion.

I dette tilfælde skulle materialet både være billigt, stabilt ved høje temperaturer, være en god katalysator for CO₂ til CO-reaktionen, men på samme tid forhindre reaktionen fra CO til C.

Heldigvis har vi på DTU Energi nu fundet et lovende materiale til at erstatte nikkel: Ceriumoxid.

Vi er ikke de første til at prøve dette materiale.

Det bruges nemlig også i lignende kemiske reaktioner, blandt andet som katalysator for at rense udstødningsgassen fra biler. Efter nogle indledende eksperimenter med dette materiale, kunne vi hurtigt se potentialet inden for CO₂-elektrolyse.

Det så ikke ud til, at der blev dannet kul inden i cellen. For at optimere materialet til CO₂-elektrolyse krævede det dog, at vi forstod, hvorfor ceriumoxid ikke dannede kul.

Vi drog afsted til USA.

Californiske cyklotroner

I nærheden af San Francisco, Californien, ligger fødestedet for den første cyklotron. En cyklotron er en partikel-accelerator opfundet af Ernest Lawrence, og den spillede en afgørende rolle i 2. verdenskrig i forbindelse med arbejdet på atombomben.

I dag findes der mange cyklotroner, som bruges til forskning og medicin. Desuden findes der nu mange typer cyklotroner, blandt andet synchrotroner, som er mange gange større og kraftigere.

Med synchrotronen på Lawrence Berkeley National Laboratory var vi i stand til at skyde meget kraftige røntgenstråler på vores elektrolyse-celler.

Vi varmede nogle elektrolyse-celler op, og tilføjede CO₂ og strøm. Vi analyserede, hvordan røntgenstrålerne interagerede med overfladen af vores celler.

Dermed kunne vi se præcis hvornår og hvordan, der blev dannet kul på henholdsvis en nikkel-katalysator og en ceriumoxid-katalysator.

Nøjagtigt som forventet skulle der meget mere til, før vi kunne se kul på ceriumoxid-katalysatoren. Vi kunne også se, at i stedet for at lave rent kul, ville kulstof-atomet hellere binde sig til andre oxygen-atomer, som ceriumoxid har en masse af.

Måske dette var grunden til, at ceriumoxid bedre kunne modstå kuldannelsen?

På vej mod de første bæredygtige flyvemaskiner

Vi besøgte en gruppe på Stanford University, ikke langt fra synchrotronen, som vi håbede kunne hjælpe os med at forstå mekanismen til bunds.

Kollegaerne på Stanfords SUNCAT center, som på det tidspunkt blev ledet af den danske professor Jens Nørskov, lavede nogle computersimuleringer af materialerne.

Med disse kunne vi bekræfte, hvad vi så med røntgenstråle-eksperimenterne: Nemlig at oxygen-atomerne fungerer som en 'fælde' for kulstof-atomet, og fanger det på overfladen, inden det kan gøre skade.

Med ceriumoxid kan vi altså undgå, at kulstof-atomerne hober sig op oven på hinanden og danner lange kæder, som ellers vil ødelægge cellen.

Vi havde nu en grundlæggende forståelse for, hvorfor ceriumoxid fungerer som CO₂-katalysator, men ikke reducerer CO₂ hele vejen til det skadelige kulstof.

Med disse nyfundne resultater i hænde kunne vi tage hjem til DTU Energi og designe en bedre elektrolyse-celle.

I en videnskabelig artikel viste vi efterfølgende, at elektrolyse med ceriumoxid kunne producere CO med næsten 100 procents selektivitet, hvilket betyder, at næsten al den CO₂, vi fodrer cellen med, bliver omdannet til CO.

Dette vel at mærke uden at lave rent kulstof, og uden at cellen knækker.

Der mangler stadig flere brikker i puslespillet – eksempelvis implementeringen af katalysatoren i en elektrolysecelle der kan skaleres op, og så er der også spørgsmålet om, hvor CO₂'en præcis skal komme fra – men én af grundstenene for en mere effektiv udnyttelse af CO₂ er hermed lagt.

Forhåbentlig går der ikke længe, før vi med en grøn samvittighed kan stige ombord på et bæredygtigt fly med e-jetfuel i tanken.