Katalys är en möjliggörande teknologi som underlättar kemiska omvandlingar. Kemiska omvandlingar används i hela vårt samhälle och är nyckeln i omställningen till hållbara system för transporter, kemikalie- och materialproduktion samt energiomvandling. Kompetenscentrum katalys samlar och samordnar akademisk och industriell expertis för att frigöra potentialen hos katalytiska tekniker för samhällets transformativa behov.
Heterogen katalys är nyckeln i bildandet av hållbara, energieffektiva och fossilfria energisystem. KCK bidrar till att etablera nya energieffektiva processer och öka energieffektiviteten i befintliga processer.
KCKs forskning är fokuserad mot hållbara system för transport, kemikalie- och materialproduktion samt energiomvandling. Råvarorna för energibärare och kemikalier i vår forskning är biomassa, plast, koldioxid och väte. Hållbart väte produceras genom elektrolys av vatten med el från förnybara källor som vind, sol och vattenkraft. Biomassa omvandlas till bioolja, som behöver bearbetas katalytiskt för att kunna användas som bränsle eller råvara för produktion av kemikalier. En nyckelprocess är hydrodeoxygenering (HDO) där syre avlägsnas från biooljan i en termisk katalytisk process. Produkterna från processen är olika typer av biobränslen för transporter.
Att använda väte i bränsleceller ger elektricitet genom en elektrokatalytisk process med endast vatten som reaktionsprodukt. Emissioner från förbränning av kolvätebaserade bränslen i t.ex. hybridfordon innehåller koldioxid och skadliga gaser som kväveoxider. De skadliga gaserna omvandlas med termisk katalys till oskadliga produkter som kvävgas och vatten. Koldioxid tas upp av växter och omvandlas genom fotosyntes katalytiskt till biomassa. Koldioxid kan även fångas in och hydreras till metanol och längre kolväten med hjälp av termisk katalys eller elektrokatalys. Målsättningen är ett cirkulärt energisystem utan nettobildning av växthusgaser.
Katalys är grundläggande i det framtida energisystemet som beskrivs i figuren. Effektiva katalysatorer behövs för produktion av bränslen, i bränsleceller för produktion av el, för produktion av kemikalier och material samt för omvandling av växthusgaser och emissioner till oskadliga ämnen. För att uppnå det framtida hållbara energisystemet behövs nya, energieffektiva katalysatorer. Jämfört med befintliga material måste de nya katalytiska materialen ha högre aktivitet (lägre energiförbrukning), högre selektivitet (förbättrat utbyte med mindre biprodukter) och längre hållbarhet (högre resursutnyttjande).
Energisystemen i figuren avser katalytisk minskning av växthusgaser och emissioner, katalytisk omvandling av biomassa till förnybara energibärare, elektrokatalytisk omvandling av väte till elektricitet i bränsleceller samt katalys för energieffektiva kemiska processer. KCKs projektportfölj är vald ur ett energisystemanalysperspektiv. Energisystemanalyser, inklusive modellering av energiekonomi, är användbara för att identifiera miljöprestanda och kostnadskonkurrenskraft hos framtida energibärare som elektrobränslen, biobränslen och väte som används i bränsleceller. Inom KCK studeras de riktade katalytiska processerna och energibärarna ur ett globalt perspektiv för att bedöma deras roll i framtida energisystem. I projektportföljen ingår forskningsprojekt inom följande forskningsområden.
Katalys för minskning av växthusgaser och emissioner
Övergången till en fossiloberoende transportsektor skapar nya utmaningar när det gäller växthusgaser och emissioner. Användningen av biobaserade bränslen och elektrobränslen i hybridelmotorer, och elmotorer med el från bränsleceller och batterier, för transporter kommer att öka avsevärt under de kommande åren. Övergången till elektrifiering och allt mer bränslesnåla förbränningsmotorer som ger kallare avgaser ökar kraven på avgasefterbehandlingssystemen.
Katalys för syntes och produktion av förnybara energibärare
Övergången till en fossiloberoende transportsektor är nyckeln till att motverka den globala uppvärmningen. För att förverkliga detta klimatpolitiska mål görs framsteg inom transportsektorn för att ersätta dagens storskaliga användning av fossila bränslen med olika biobaserade bränslen och elektrifiering. Genom att använda biobränslen och elektrifiering har man uppskattat att utsläppen av växthusgaser 2040 kan minskas med 90 % jämfört med nivåerna 2018. I detta scenario är 75 % av minskningen tack vare biobränslen.
Katalys för bränsleceller och elektrokatalys
Bränsleceller omvandlar kemisk energi som lagras i ett bränsle direkt till elektricitet och förväntas bli nyckelkomponenter i framtida hållbara fossilfria energisystem tack vare deras höga effektivitet och potential för noll utsläpp av emissioner. Idag används de första generationerna av bränslecellsfordon och bränsleceller förväntas ge CO2-fri och ren energi i flera transporttillämpningar, såsom tunga och marina. För storskalig användning behöver bränslecellerna dock bli billigare, hålla längre och vara sammansatta av hållbara material. Till stor del är dessa problem är relaterade till katalysatorerna på bränslecellens elektroder. Inom KCK utvecklar vi nya och hållbara katalysatorelektrodmaterial och studerar degradering av bränsleceller.
En aktuell utvecklingslinje är att producera energibärare med fossilfri el från i första hand väderberoende intermittenta kraftkällor, som vind och sol. Vätgas kan framställas på detta sätt genom elektrolys av vatten. Inom transportsektorn kan vätgas användas som bränsle i förbränningsmotorer eller i bränsleceller. Genom att låta vätgas, framställt genom elektrolys av vatten, katalytiskt reagera vidare med koldioxid, kan t.ex. metan, metanol eller andra typer av bränslen med högre energitäthet och bättre lagringsegenskaper än väte framställas. Framtida utmaningar inom detta område är att öka aktiviteten och selektiviteten hos katalysatorn och göra processen mer energieffektiv.
Katalys för energieffektiva kemiska processer
Katalys innebär att aktiveringsbarriärer för kemiska reaktioner sänks och att reaktionerna på detta sätt sker på ett mer energieffektivt sätt. Katalytisk teknik är av central betydelse för miljövänlig energiteknik och industriella kemiska processer. Nya, mer effektiva katalysatorer för industriella processer och för miljövänlig teknik förväntas minska energianvändningen, eftersom det behövs mindre energi för att värma upp reaktanterna. I den kemiska industrin är katalys en nyckelkomponent för att producera många kemikalier. Katalytiska processer kan emellertid även resultera i bildning av biprodukter. Biprodukterna kan ofta användas i andra processer men måste separeras och renas. Det finns olika separationstekniker, men gemensamt för dem alla är att de kräver stora mängder energi. Om den katalytiska processen kunde göras mer effektiv med högre selektivitet skulle det bli mindre behov av separation och därmed stora energibesparingar. Det är också avgörande att använda förnybara råvaror för kemisk produktion, vilket kräver att nya katalytiska vägar utvecklas. Inom KCK studerar vi reaktioner som är viktiga inom den kemiska industrin, med syftet att öka lågtemperaturaktiviteten och selektiviteten med förnybara råvaror.