KJEMI nr. 5

KJEMI

2013

Karl Jørgen Gurandsrud

Hovedaktiviteten til katalyseforskerne ved

Norges teknisk-naturvitenskapelige uni-

versitet (NTNU) konsentrerer seg omkring

den såkalte Fischer-Tropsch-syntesen (FT-

syntesen). Her lages diesel fra syntesegass

som består av karbonmonoksid (CO) og

hydrogen (H2).

Syntesegassen kan lages fra metan

(CH4) som det er store mengder av i natur-

gass. Det har vi god tilgang på her i Norge.

Den kan også lages fra kull eller, mer

fremtidsrettet, fra biomasse, noe NTNU-

forskerne jobber med i økende grad. De

bruker da avfall fra skogindustrien.

FT-syntesen krever bruk av katalysator

er, og det er katalysatorer, først og fremst

metalliske katalysatorer, NTNU-forskerne

har konsentrert seg om. De undersøker i

detalj katalysatorene og reaksjonene de

inngår i, for å forstå hvordan katalysatoren

virker slik at de kan forbedre dem.

Pore- og partikkelstørrelser hos kataly-

satorene er viktige stikkord. Forskningen

støttes av blant annet Forskningsrådets pro-

gram for katalyse og organisk syntetisk

kjemi – KOSK II.

Katalysatoren

bestemmer produktet

Når kjemikerne har laget syntesegass fra

for eksempel metan, vil det som skjer

videre med gassen, avhenge av hvilken

katalysator de bruker.

– Katalysatorene er aktive og selektive

og bestemmer produktet. Uten katalysator

sitter du fortsatt igjen med karbonmonok-

sid og hydrogen ved 200–300 grader, for-

klarer professor Anders Holmen ved

NTNU.

– Med nikkel (Ni) som katalysator får

du metan, med kobberoksid og sinkoksid

(CuO/ZnO) får du metanol (CH3OH) og

med kobolt (Co) eller jern (Fe) får du lange

karbonkjeder som kan brukes til å lage

bensin og diesel.

– Når vi skal lage diesel, må vi se hva

som gir mest mulig av de lange karbon

kjedene med over tjue karbonatomer. Vi har

jobbet mye sammen med Statoil for å opti-

malisere denne prosessen. Produktet er rett

og slett voks, som i prinsippet kan brukes

som skismøring, som videreforedles til

diesel, sier Holmen.

Må ikke være for små

Kjemikerne vil ha mest mulig av ønsket

produkt, de lange karbonkjedene, når det ut-

fører en FT-syntese, slik at det blir økono-

misk lønnsomt. I tillegg er det et poeng at

reaksjonene skal være miljøvennlige,

rimelige og sikre.

En av de tingene katalyseforskerne

studerer, er hvordan størrelsen på kataly-

satorpartiklene påvirker reaksjonen.

I jakten på hva som er de beste reaksjons

betingelsene, er det vist at reaksjons

hastigheten i FT-syntesen synker dersom

koboltpartiklene er under ti nanometer (én

nanometer er én milliarddels meter).

Forskerne ved NTNU har prøvd å for-

klare hvorfor det er slik. De har blant annet

brukt isotoper for å studere i detalj hvor mye

karbonmonoksid og metan som binder seg

til overflaten av kobolt, og hvor lenge disse

molekylene sitter på overflaten.

– Det viser seg at små koboltpartikler

fører til at det blir for sterk binding, og da

går reaksjonshastigheten ned. Når man

bruker kobolt som katalysator, må altså ikke

partiklene være for små. Denne kunnskapen

er viktig for den industrielle utnyttelsen,

understreker Holmen.

Krever riktig tilbehør

Katalysatorene som brukes i FT-syntesen,

trenger porøse støttematerialer, såkalte

bærere, som de festes til slik at de får stor

overflate og blir mer stabile.

Holmens professorkolleger, De Chen

og Magnus Rønning, har jobbet med å lage

nanofibre av karbon som kan være bærere

for koboltkatalysatorer. De har testet ut

nanofibre som har ulik form og størrelse,

og sett hvordan det påvirker katalysatorene.

– Vi jobber også med å feste karbonna-

nofibrene til andre tredimensjonale mate-

rialer som filtmaterialer av karbon og

keramiske monolitter, siden de ørsmå

karbonnanofibrene utgjør en helserisiko

dersom de ikke er bundet opp til noe, sier

Chen.

Rønning har i tillegg prøvd å finne pro-

motorersomøkeraktivitetentilkatalysatoren.

Han har undersøkt hvordan rhenium (Re)

og nikkel (Ni) påvirker aktiviteten til

kobolt.

– Rhenium senker aktiveringstempera-

turen og øker selektiviteten til kobolt slik

at vi får mer av ønsket produkt. Vi må

undersøke hvordan den gjør det, om den

for eksempel påvirker kobolt indirekte

ved å påvirke bæreren. Vi studerer promo-

toren med flere spektroskopiske teknikker

der vi bruker ulike typer stråling som

røntgen og får ut spekter som vi kan ana-

lysere for å få informasjon om dette, for-

teller Rønning.

Forskerne gjør blant annet forsøk i ør-

små kapillærreaktorer i synkrotronen i

Grenoble som har svært sterk stråling.

Der kan de studere hva som skjer med

katalysatoren når den blandes med synte

segass og se hvordan promotoren på

virker den.

Rensing av hydrogen

Syntesegass kan også brukes til å fram-

stille ren hydrogengass som kan brukes

som drivstoff i brenselceller. Både Chen

og Rønning jobber med å karakterisere

katalysatorer som kan brukes til å fjerne

karbonmonoksidet fra syntesegassen.

Rønning bygger blant annet opp nye mi-

krostrukturreaktorer med katalysator for å

oksidere karbonmonoksidet slik at det fjer-

nes fra hydrogenet som karbondioksid

(CO

– Vi har funnet ut at kobbercesiumoksid

(Cu-CeO

) på et tredimensjonalt nettverk

av karbonnanofibre som igjen er festet på

karbonfilt, egner seg godt for dette formå-

Bedre ressursutnyttelse

med Fischer-Tropsch

Naturgass, kull og biomasse kan bli til både diesel og hydrogengass. Forskere ved NTNU arbeider

med å utvikle katalysatorer som gjør den industrielle produksjonen av disse drivstoffene mer

effektiv. Noe av dette arbeidet er finansiert fra forskningsprogrammet KOSK II.