Katalysatorer af molybdænsulfider har været brugt til afsvovling af olie siden 2. verdenskrig. Nu har Jakob Kibsgaard imidlertid fået lovende resultater med at producere brint fra vand ved hjælp af nano-partikler af Mo3S13 i et samarbejde mellem universiteterne i Aarhus og Stanford. Det smarte ved Mo3S13 er, at det kan fremstilles nemt og billigt.

27.01.2014 | Jens Christian Pedersen

Visionen er at udvikle en god katalysator til at fremstille brint med solen som energikilde. Sol har vi masser af, og brinten kan erstatte de fossile brændsler – uden at forurene. Det bedste katalysatormateriale er platin, men det er ”hundedyrt”, som Jakob Kibsgaard udtrykker det. Han er post doc. med en tilknytning til både Stanford og Aarhus. Begge steder arbejder forskerne på at udvikle fremtidens brint-samfund ved hjælp af katalysatorer.

Her kommer molybdæn-disulfid, MoS2, ind i billedet. Det har en klassisk lagdelt struktur som grafit. Forskerne har kigget på molybdæn-disulfid til at spalte vand i hvert fald 30-40 år, men de har tidligere ment den var en elendig katalysator. For nyligt er det vist, at det er fordi, det kun er kanterne i strukturen, som er aktive i katalysen.

”Jeg faldt over Mo3S13 i en 30 år gammel artikel om molybdænsulfider. Hvis man kigger på strukturen af den, består den næsten udelukkende af kanter. Der er ikke noget fladt ved den. Så jeg tænkte den måtte være en rigtigt god katalysator. Så jeg lavede syntesen, testede den for brintudvikling, og fandt ud af at den var fremragende,”  forklarer Kibsgaard.

Han fik bekræftet den fine nanostruktur, hvor stort set det hele er kanter, ved scanning-tunnelmikroskopi:

”Det er simpelthen de enkelte atomer, du kan se med det her super scanning-tunnelmikroskop (STM), vi har i Aarhus. Det synes jeg er utroligt fascinerende.”

Arbejdet er publiceret i et af verdens førende videnskabelige tidsskrifter, Nature Chemistry.

Nødvendigt gennembrud

Jakob Kibsgaard fremhæver at Mo3S13-katalysatorer vil være nemme at fremstille industrielt:

”Man kan lave mange spændende nanostrukturer i laboratoriet, men det her kan man fremstille ved ren vådkemi, som er nemt at opskalere industrielt. Man tager et molybdænsalt, tilsætter polysulfid, koger det i 5 dage, og ud kommer røde krystaller af molybdænsulfid. Dem opløser man i metanol og drypper ned på sin overflade, og så er man færdig. Det er supersimpelt.”

Jakob Kibsgaard mener selv, han har udviklet den bedste katalysator, som ikke er platin, og som er lavet ved noget, der kan skaleres op. Det er stort, forklarer professor Flemming Besenbacher, Aarhus Universitet, som har været med i arbejdet:

”Det er et stort og meget nødvendigt gennembrud i forhold til opskalering.”

På vej mod brintsamfundet

Jakob Kibsgaard arbejder netop nu på at integrere de tre processer, så han kan splitte vand til brint og ilt med solen som eneste energikilde:

”Hvis man kigger på det store billede, hvor vi gerne vil have et anlæg, der kan generere brint og ilt fra vand, så skal vi have energien et sted fra. Det kan man få ved integrere med en solcelle, enten ved først at lave strøm, eller ved at inkorporere solcellen direkte. Vi er rimeligt langt med at udvikle den her katalysator, der kan udvikle brint. Vi er længere bagud på iltsiden, men det er også noget, vi arbejder på her i Stanford. Koblingen til solenergien kræver et halvledermateriale, og her er man også bagud ift. brint-siden,” afslutter Jakob Kibsgaard.

-------------------

FAKTA

Molybdæn

Molybdæn er et overgangsmetal der under normale forhold optræder som et tungt gråt metal. Industrielt anvendes molybdæn især til at hærde stål, men man har brugt molybdændisulfid som katalysator i olieindustrien siden 2. verdenskrig til at fjerne svovl fra olie  - en proces som i dag er blevet standard i olieindustrien, så vi undgår syreregn.

Molybdæn vides at indgå i mindst 50 enzymer. Bedst kendt er nitrogenase, der indgår i visse bakteriers fiksering af kvælstof, men dyr og mennesker har også molybdænholdige enzymer.

 

Hvad er en katalysator?

En katalysator er et stof der kan øge hastigheden af en kemisk reaktion uden selv at blive brugt. Den virker ved at sænke den energibarriere der skal til for at få reaktionen til at forløbe.  Katalysatorer bruges i stor stil i industrien. Næsten 90 % af processerne i den kemiske industri er baseret på katalyse. De er også udbredt i miljøteknologien, hvor fx alle nyere benzinbiler er udstyret med en katalysator. Enzymerne i vores celler – og i alle andre levende væsener - er biologiske katalysatorer.

Yderligere oplysninger

• PhD Jakob Kibsgaard, Aarhus Universitet, Interdisciplinært Nanoscience Center (iNANO), og Stanford Universitet, Dept. Chemical Engineering, +1 818-428-0449, kibs@stanford.edu
• Building an appropriate active-site motif into a hydrogen-evolution catalyst with thiomolybdate [Mo3S13]2-clusters. J. Kibsgaard, T.F. Jaramillo og F. Besenbacher. Nature Chemistry 2014, DOI: 10.1038/nchem.1853, 
• Solenergi uden mellemregninger. Augustus nr. 2, 2010. www.e-pages.dk/aarhusuniversitet/78/34 
• Katalyse på nanoskala. Aktuel Naturvidenskab 2001, nr. 1, 10-14 www.e-pages.dk/aarhusuniversitet/105/