Fysiklærerforeningens-GF 2017 JakobKibsgaard¸benhavn-Sjælland/...Brian Seger Lektor Peter C. K....
Transcript of Fysiklærerforeningens-GF 2017 JakobKibsgaard¸benhavn-Sjælland/...Brian Seger Lektor Peter C. K....
1DTU Physics, Technical University of Denmark
Katalysefor bæredygtig produktion af brændstoffer og kemikalier
Jakob [email protected]
Danmarks Fysik‐ og KemilærerforeningKøbenhavn/Sjælland, Generalforsamling 2017
2DTU Physics, Technical University of Denmark
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: [email protected]
3DTU Physics, Technical University of Denmark
http://www.energi.case.dtu.dk/
CASECatalysis for Sustainable Energy CINFCenter for Individual Nanoparticle FunctionalitySurfCatSurface Physics & CatalysisV‐SUSTAINThe VILLUM Center for the Science of Sustainable Fuels and Chemicals
4DTU Physics, Technical University of Denmark
SurfCat sektion
Ib ChorkendorffProfessor
Jane Hvolbæk NielsenInstitutdirektør, professor
Christian D. DamsgaardLektor
Sebastian HorchLektor
Brian SegerLektor
Peter C. K. VesborgLektor
Debasish ChakrabortyScientific Business Developer
Jakob KibsgaardAdjunkt
5DTU Physics, Technical University of Denmark
Hvad arbejder vi med i SurfCat?
6DTU Physics, Technical University of Denmark
Hvad er en katalysator?
7DTU Physics, Technical University of Denmark
Værdien af katalyse
Data fra den Internationale ValutafondDet globale marked for katalysatorerne alene er 28 mia. US$ per år
8DTU Physics, Technical University of Denmark
Reaktion: A + B → AB
Hvad er katalyse?
katalyse, det fænomen, at en katalysator øgerhastigheden af en kemisk reaktion uden selv atforbruges (katalysatoren indgår ikke ibruttoreaktionen). Mange kemiske reaktionerforløber meget langsomt eller slet ikke, selv vedhøje temperaturer, fordi aktiveringsenergierne ermeget store. Tilstedeværelse af en katalysatorgiver mulighed for en reaktionsmekanisme medlavere aktiveringsenergi.
Oprindelse: af græsk katalysis 'opløsning', afledt af katalyein, af kata 'ned' og lyein 'løse'
9DTU Physics, Technical University of Denmark
Fire generelle typer af katalysatorer
Biokatalysatorerf.eks. enzymer
FotosynteseKvælstoffiksering
Elektrokemisk(H+ og e‐ overførsler)Ambient temperaturAmbient trykVæskefase (vandig)
ElektrokatalysatorerF.eks. metal nanopartiker
BrændselscellerElektrolyse af vandReduktion af CO2
Elektrokemisk (Thermokemisk)Bredt temperatur områdeBredt tryk områdeVæskefase eller fast
Homogene katalysatorerF.eks. Overgangsmetal komplekser
Finkemikalier til f.eks. lægemidler
Elektrokemisk / ThermokemiskLav‐middel temperaturerBredt tryk områdeVæskefase (vandig eller ikke‐vandig)
Adapted from Prof. Tom Jaramillo, Stanford University
KonventionelleHeterogene katalysatorerF.eks. metal nanopartiker
BilkatalysatorOlieraffinaderi processer Ammoniak produktion
ThermokemiskBredt temperatur områdeBredt tryk områdeGas‐ eller væskefase
10DTU Physics, Technical University of Denmark
Store ”grand” udfordringer i det 21. århundrede
Konflikt ogterrorisme
Vandressourcer
Energiforsyningog energilagring
Prisbillig sundhedspleje
Fødevarer produktion
Miljø og Klima forandring
Biodiversitet
Mineraler
11DTU Physics, Technical University of Denmark
Konflikt ogterrorisme
Biodiversitet
Mineraler
Katalyse er vigtigere end nogensinde
Vandressourcer
Energiforsyningog energilagring
Prisbillig sundhedspleje
Fødevarer produktion
Miljø og Klima forandring
Katalyse
12DTU Physics, Technical University of Denmark
Energiudfordringen
“The supply of secure, clean, sustainable energy is arguably the
most important scientific and technical challenge facing humanity
in the 21st century.”
PNAS, 2006, vol. 103, no. 43, 15729–15735
Hvordan kan vi levere energi til at drive vores planet på en bæredygtig måde?
Prof. Dan NoceraHarvard University
13DTU Physics, Technical University of Denmark
Terawatt udfordringen
Fra: Global Energy Assessment: Towards a sustainable future
> 500 EJ (exa = 1018 ) → 18 TW
“Any future energy technology has to be scalable to the TW level”
Smalley MRS Bull. 2005
Richard SmalleyNobelpris modtager1943‐2005
14DTU Physics, Technical University of Denmark
Globalt energiforbrug
Globalt energiforbrug (effekt):2013: 18 TW2050: 30 TW
1 W 103 Wkilo
106 Wmega
109 Wgiga
1012 Wtera
15DTU Physics, Technical University of Denmark
Terawatt udfordringen
Fra: Global Energy Assessment: Towards a sustainable future
> 500 EJ (exa = 1018 ) → 18 TW
“Any future energy technology has to be scalable to the TW level”
Smalley MRS Bull. 2005
Richard SmalleyNobelpris modtager1943‐2005
16DTU Physics, Technical University of Denmark
CO2 udledning
17DTU Physics, Technical University of Denmark
2 timer1 år
18DTU Physics, Technical University of Denmark
Sol‐ og vindenergi bliver billigere
Kriegers Flak (600 MW offshore vindmøller) The lowest bid: 37.2 øre/kWh (5.3 US cents /kWh)http://efkm.dk
Abu Dhabi (350 MW solcelle anlæg) Laveste bud: 2.42 US cents /kWh.http://www.thenational.ae
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
19DTU Physics, Technical University of Denmark
ExxonMobil’s syn på energi i fremtiden
ExxonMobil, 2017 Outlook for Energy: A View to 2040
Olie
Gas
Kul
KernekraftVind/sol
Andre vedvarende
Andel af primær energi
20DTU Physics, Technical University of Denmark
Hvor kommer energien fra og hvor bliver er den brugt?
1 quad = 1015 BTU = 1.055×1018 J
21DTU Physics, Technical University of Denmark
Bæredygtig produktion af brændstoffer og kemikalier
??
22DTU Physics, Technical University of Denmark
SurfCat: Elektrokatalyse
N2CO2H2O
Elektrokatalyse
23DTU Physics, Technical University of Denmark
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).
24DTU Physics, Technical University of Denmark
Elektronik Køretøjer Huse
Brint
48%
30%
18%
4%
Natur gas
Oile
Kul
Elektrolyse
HydrotreatingAmmoniak
H2
Kemisk reagens Energibærer
Oil
CnHm + nH2O nCO + (n + ½m) H2
CH4 + H2O CO + 3H2
CO + H2O CO2 + H2
Steam reforming
www.iea.org : TechnologyRoadmapHydrogenandFuelCells.pdf
Oprindelse af den globale brint produktion (~50 billion kg/år)
25DTU Physics, Technical University of Denmark
Bæredygtig brint produktion
2H2O 2H2 + O2
Ilt (O2) Brint (H2)
Vand (H2O)
26DTU Physics, Technical University of Denmark
Elektrokemisk splitning af vand
Brint udvikling:
Reducerende halv‐celle reaktion:
2 H+ + 2 e‐ H2 E° = 0 V
Ilt udvikling:
Oxiderende halv‐celle reaktion:
H2O ½ O2 + 2H+ + 2 e‐ E° = 1.23 V
Splitning af vand
Totale reaktionH2O H2 + ½ O2 ΔE = 1.23 V
Mod-elektrodegrafit
Reference elektrode
Arbejds-elektrode
H2 O2
27DTU Physics, Technical University of Denmark
Hvad gør en katalysator god?
TEM billede: Christian D. Damsgaard
28DTU Physics, Technical University of Denmark
Mange knapper at skrue på…
29DTU Physics, Technical University of Denmark
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 assistentUdførte over 10.000 ammoniak syntese eksperimenter på 4.000 forskellige katalysatorer
30DTU Physics, Technical University of Denmark
Volmer‐Heyrovsky
Mekanisme for brint udvikling
Volmer‐Tafel
31DTU Physics, Technical University of Denmark
Brint udvikling katalyse
Ædelmetallet platin (Pt)
Brint udvikling katalyse:
2H+ + 2e- H2
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.
32DTU Physics, Technical University of Denmark
Brint udvikling katalyse – Inspireret af naturen
Nitrogenase modelB. 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.
Brint udvikling katalyse:
2H+ + 2e- H2
Elektrode overfladen bestemmer overpotentialet.
33DTU Physics, Technical University of Denmark
Brint udvikling katalyse – MoS2
Mo‐kant af MoS2
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
Brint udvikling katalyse:
2H+ + 2e- H2
Elektrode overfladen bestemmer overpotentialet.
?
34DTU Physics, Technical University of Denmark
Ultra Høj Vakuum
35DTU Physics, Technical University of Denmark
Skanning Tunnel Mikroskopi
Afbillede overflader med atomar opløsning!
36DTU Physics, Technical University of Denmark
Syntese af MoS2
Mo metal fordamper H2S doser
Filament til opvarmning
Au(111) overflade
(802 x 795 Å2) (141 x 135 Å2)
Au(111) overflade
37DTU Physics, Technical University of Denmark
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
38DTU Physics, Technical University of Denmark
Hvor god er MoS2?
39DTU Physics, Technical University of Denmark
MoS2 nanostrukturering
Web of Science, dato: 171017Søgning på : MoS2 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
40DTU Physics, Technical University of Denmark
Maksimer antallet af aktive sites
Mo78S204 Mo36S104 Mo28S84 Mo21S66 Mo21S56 Mo15S42 Mo10S24Mo10S30 Mo6S20
n = 12 n = 8 n = 7 n = 6 n =6 n = 5 n = 4n = 4 n = 3
n
J.V. Lauritsen, J. Kibsgaard, F. Besenbacher et al.Nature Nanotechnology 2 (2007) 53‐58
n = number of Mo atoms on the cluster edge
A Müller et al, Angew. Chem. lnt. Ed. Engl. 17 (1978) No. 7
S (bridging)“S-edge”
S (terminal)“Mo-edge”
S (apical)
Thiomolybdate [Mo3S13]2- clusters
Top view Side view
41DTU Physics, Technical University of Denmark
Syntese af (NH4)2[Mo3S(S2)6]nH2O
(NH4)2Sx+
Ammonium molybdate Ammonium polysulfide
95-98°Cfor 5 days
X-ray Diffraction (XRD)As synthesized After hot toluene wash
+ H2O
J. Kibsgaard, T. F. Jaramillo and F. Besenbacher, Nature Chemistry, 2014, 6, 248‐253
42DTU Physics, Technical University of Denmark
Elektrode præparation og XPS
HOPGToray grafit papir
1 mMNem elektrode præparation:
• Opløs in metanol
• Drop‐cast på: Toray grafit papir HOPG
X-ray photoelectron spectroscopy (XPS)
1 cm2
J. Kibsgaard, T. F. Jaramillo and F. Besenbacher, Nature Chemistry, 2014, 6, 248‐253
43DTU Physics, Technical University of Denmark
STM af [Mo3S13]2‐ clusters
Scanning Tunneling Microscopy
Anodized HOPG [Mo3S13]2- clusters on anodized HOPG
8±2 × 1012 [Mo3S13]2- clusters per cm2 HOPG
5 nm 1 nm
Pristine HOPG
• Afbillede overflader med atomar opløsning!
J. Kibsgaard, T. F. Jaramillo and F. Besenbacher, Nature Chemistry, 2014, 6, 248‐253
44DTU Physics, Technical University of Denmark
Brint udviklingsaktivitet af [Mo3S13]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
45DTU Physics, Technical University of Denmark
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
46DTU Physics, Technical University of Denmark
Den anden side: ilt udvikling
Brint udvikling Ilt udvikling
2 H2O 2H2 + O2
Adapted from: Z. W. Seh, J. Kibsgaard, C. F. Dickens, I. Chorkendorff, J. K. Nørskov, T. F. Jaramillo, Science. 2017, 355 (6321).
47DTU Physics, Technical University of Denmark
Brug for nye design strategier for katalysatorer
J. H. Montoya, L. C. Seitz, P. Chakthranont, A. Vojvodic, T. F. Jaramillo & J. K. Nørskov, Nature Materials 16, 70–81 (2017)
Brint udvikling:H+ + e‐ + * → H*H* + H+ + e‐ → H2 + *or 2H* → H2 + 2*
Ilt udvikling:H2O + * → OH* + H+ + e‐OH* → O* + H+ + e‐O* + H2O → OOH* + H+ + e‐OOH* → O2 + * + H+ + e‐
48DTU Physics, Technical University of Denmark
Hvad vil vi gerne lave?
49DTU Physics, Technical University of Denmark
Sammensætte en katalysator atom for atom
50DTU Physics, Technical University of Denmark