Tang og tare kan bidra til reduserte klimagassutslipp
Vi kan bruke tang og tare for å lage stoffer som er helt nødvendige for framtidas teknologi. Nå har vi gjort store fremskritt.
Visste du at vi kan finne et klimavennlig råstoff som kan brukes i alt fra medisiner og mat, til avanserte materialer som katalysatorer under havoverflaten?
Nå har vi brukt dette råstoffet for å gjøre produksjon av biodrivstoff og ulike kjemikalier mye mer effektiv.
Alginat er et sukker som utvinnes fra tang og tare. Det er dermed et fornybart karbonmateriale, og ettersom det vokser ved hjelp av fotosyntesen, forbrukes CO2.
Det spesielle med alginat er at det tykner og danner en gel, det vil si et nettverk av partikler i store mengder væske, slik som for eksempel gelatin gjør i vann. Positivt ladde atomer (kationer), for eksempel kalsium, kobler de lange alginatmolekylene sammen til store partikler.
Her henter Joakim Tafjord ut flytende hydrokarbonprodukt fra reaksjonen. Foto: Per Henning, NTNU
Katalysatorer – hva nå enn det er
Avanserte materialer består oftest av metaller. Dette er gjerne materialer som er designet for å ha nye og forbedre egenskaper sammenlignet med konvensjonelle materialer, ofte er det snakk om nanomaterialer. Et godt eksempel på dette katalysatorer, som er nettopp det jeg jobber med i min forskning.
Så hva er en katalysator?
En katalysator er et materiale som får kjemiske reaksjoner til å skje raskere og ved mildere betingelser, for eksempel ved lavere temperaturer og trykk. Dette gir store kostnadsbesparinger.
De molekylene som skal reagere er gjerne gasser, men de har ofte vanskelig for å reagere spontant, og trenger litt hjelp for at noe skal skje. Til det bruker vi en katalysator. En katalysator er et materiale molekylene som kan «lande» på, for så å reagere.
For å sikre effektive reaksjoner er det derfor ønskelig at katalysatoren har størst mulig overflate. Dette er spesielt viktig når vi bruker katalysatorer av dyre og edle metaller, som gull og platina.
- Les også: Denne plasten er laget av tare
Nanopartikler viktige
Her spiller ørsmå nanopartikler en viktig rolle, siden de øker overflatearealet til metallet i katalysatoren. En nanopartikkel er veldig liten – størrelsesforholdet mellom en nanopartikkel og en håndball, er det samme som mellom en håndball og jordkloden!
Figur 1. Figuren viser en enkel krystallstruktur hvor det er ett atom i hvert hjørne av en kube, hvor alle atomene er eksponert for overflaten. Hvis denne «partikkelen» vokser slik at det er 4 atomer langs hver side, vil antall eksponerte atomer reduseres til 75%, siden flere av atomene blir «stengt» inne av de andre.
Når nanopartikler er mindre enn 10 nanometer, består de av så få atomer at veldig mange av atomene i partikkelen ville være på overflaten. En partikkel på 1-2 nanometer kan ha over halvparten av atomene sine på overflaten. (Se Figur 1.)
Ustabilt med stor overflate
Partikler med så stor overflate er ustabile. De vil derfor prøve å forandre form eller vokse sammen for å redusere overflaten. Dette skjer ved at atomene i partikkelen flytter på seg for å lage nye former.
Husk at jo flere sider en gjenstand har, desto mindre overflate per volum har den. En pyramide vil for eksempel ha veldig høy overflate-til-volum, mens en sfære vil ha den teoretisk minste. Sfæren kan vi se på som en form med uendelig mange sider.
En strategi for å forhindre at partiklene vokser sammen og reduserer overflaten, er å plassere nanopartiklene inn i et materiale med porer med nanostørrelse, og det er her alginatet kommer inn.
- Les også: Tang og tare mer enn mat
Lager rekordsmå nanopartikler av metall
Hvis vi lager en gel med alginat og metaller (som vist i figur 2), for så å varme opp slik at alginatstrukturen brytes ned til et porøst karbonmaterial, vil det samtidig dannes nanopartikler av metall inne i karbonet.
Figur 2. Figuren illustrer positivt ladde atomer (oransje) som binder sammen alginat (tråder), og danner eggekartong-lignende strukturer. Me2+ betyr at det er et metall med en positiv ladning på 2.
Det er viktig at varmebehandlingen foregår i en ikke-reaktiv (inert) gass, i fravær av oksygen, for å unngå at materialet forbrennes til CO2 og vann. Metallene vi har studert er jern, kobolt, nikkel og kobber.
Det har vært gjort studier på denne metoden for å lage katalysatorpartikler tidligere, men ingen har klart å lage nevneverdig små metallpartikler. Disse har rapportert metallpartikler mellom 10-20 nanometer, mens våre har en størrelse på bare 3!
Alginatmiljø gjorde fremskritt mulig
Dette har vært mulig takket være et kunnskapsrikt alginatmiljø her ved NTNU. Dette har hjulpet oss med å finne ut hvilke alginategenskaper som er viktige for å produsere nanopartiklene våre.
Sånn ser alginatet ut når det er blandet med ulike metalløsninger.
Disse egenskapene er blant annet lengden på alginatkjeden og sammensetningen av de to byggeklossene alginat består av. Vi fikk tilgang på alginat med ønskede egenskaper fra norsk alginatindustri, som har spesialisert seg på å produsere veldig rent alginat med nøyaktige spesifikasjoner.
Hittil har vi brukt disse katalysatorene i en prosess (Fischer-Tropsch syntese) som omdanner biomasse til drivstoff og verdifulle kjemikalier, som vist i figur 3. Biomasse kan være alt av materiale som stammer fra planter, dyr og biologisk avfall. I stor skala er det mest realistisk å bruke tremasse som råstoff i disse prosessene. Men mange forsker også på å bruke alger som biomasse. Det har vi et stort potensial for her til lands.
Figur 3. Forenklet diagram som viser hvordan biomasse blir omdannet til gass (CO og H2) som kan omdannes til drivstoff og verdifulle kjemikalier ved hjelp av en katalysator basert på alginat.
Blant de høyeste ytelsene
Sammenlignet med andre katalysatorer viser våre katalysatorer seg å ha en av de høyeste ytelsene som har vært rapportert for å omforme biomasse til drivstoff og kjemikaler i denne prosessen.
I tillegg er vår metode for å produsere katalysatorer svært rimelig sammenlignet med andre materialer med tilsvarende egenskaper som bruker dyre løsemidler og kjemikalier. Alginat er billig, og vi bruker en enkel produksjonsmåte som lett kan skaleres opp.
Med våre fornybare katalysatorer er vi ett steg nærmere effektiv produksjon av biodrivstoff. I tillegg forsker vi nå på å lage drivstoff direkte fra CO2 ved hjelp av alginat og de nye metodene våre.
For den som vil vite mer:
Joakim Tafjord, Erling Rytter, Anders Holmen, Rune Myrstad, Ingeborg-Helene Svenum, Bjørn E. Christensen, and Jia Yang, Transition-Metal Nanoparticle Catalysts Anchored on Carbon Supports via Short-Chain Alginate Linkers, ACS Applied Nano, Materials 2021 4 (4), 3900-3910 DOI: 10.1021/acsanm.1c00294
Joakim Tafjord, Samuel K. Regli, Achim Iulian Dugulan, Magnus Rønning, Erling Rytter, Anders Holmen, Rune Myrstad, Jia Yang, Influence of temperature during pyrolysis of Fe-alginate: Unraveling the pathway towards highly active Fe/C catalysts, Applied Catalysis A: General, Volume 644, 2022, 118834, ISSN 0926-860X, https://doi.org/10.1016/j.apcata.2022.118834.
