Dieselbiler utgjør over 50 prosent av nye biler solgt i Norge de siste åtte årene. Påbudte katalysatorer i bilene reduserer de farlige utslippene av nitrogenoksider (NOX).

Men de vanligste katalysatorene er dyre fordi de inneholder kostbare, sjeldne edelmetaller som platina, rhodium og palladium.

En ny metode kan lage billige, effektive katalysatorer som renser de farlige avgassene fra dieselmotorer. Katalysatorene er laget av supermaterialet aerogel og rimelig kobber. Metoden er kjemikerens.

Svært porøst og mye luft

– Hvis vi kunne brette ut alle poreveggene i fem gram aerogel, ville stoffet dekke en fotballbane, sier postdoktor Tine Kristiansen ved Institutt for kjemi ved NTNU.

Hun tok nylig doktorgrad på aerogeler som katalysator, og skal nå forske videre på dette.

Den vanligste typen aerogel lages av samme materiale som sand består av. Såkalt «vannglass», et salt som består av silisium, oksygen og natrium løses opp i vann. Så tilsettes en base, for eksempel ammoniakk.

Basen gjør at det dannes silika nanopartikler som lenker seg sammen i lange kjeder som til sammen danner et nettverk av bittesmå porer. Porøsiteten kan utnyttes i kjemiske prosesser.

Et stykke aerogel på størrelse med en murstein veier 1,7 gram. Aerogel består av hele 90–99,8 prosent luft, og er derfor ekstremt lett og har ekstrem lav tetthet. Samtidig er aerogel sterkt og er et godt isolasjonsmateriale blant annet brukt i Mars Pathfinder Rover og i romdrakter.

Fra vått til tørt

Tre egenskaper gjør aerogelene unike som katalysatorer:

• De er hydrofobe, det vil si at de ikke blir påvirket av vann.
• De er porøse, det vil si har stor overflate.
• Ved å putte metallkationer (positivt ladde ioner) inn i gelstrukturen, får gelen bestemte funksjoner.

Kristiansen har i sin doktoravhandling sett på hvordan aerogel og metaller som kobber påvirker hverandres egenskaper, og hvordan dette kan utnyttes til å lage et aktivt materiale som er stabilt nok til å brukes under så krevende forhold i dieselmotorer.

Bake inn kobber

Aerogel kalles gel fordi utgangspunktet er den våte geleen.

– Deretter tilsetter jeg kobberkationer eller gullkationer. Kobber er et rimelig metall som egner seg særlig godt som katalysator. Det er fordi kobber har interessante kjemiske egenskaper og kan skifte mellom tilstander – fra kationer til metalliske partikler.

– Kobber har vært prøvd som katalysator for å fjerne nitrogenoksider tidligere, men da har det vært et problem med vanndamp, forteller Kristiansen.

Nå har hun løst problemet med vanndamp.

Tørke fullstendig

Selv om geleen er full av vann, renner ikke vannet ut av de ørsmå porene. Men geleen må tørke helt før den kan brukes. Det må ikke være noe fukt igjen. Tørkingen kan skje i vanlig ovn og 200 grader er passe.

Før tørking renses geleen med rene løsningsmidler. Så tilsettes organiske stoffer som under tørkingen fjerner vannet. Disse stoffene hindrer også porene i å krympe. Dette er viktig, porene må absolutt ikke krympe! Aerogelen skal ha så mye porøsitet som mulig for å være effektiv katalysator.

De organiske stoffene gjør at aerogelen får en overflatestruktur som gjør materialet hydrofobt, det vil si vannavstøtende. Tenk på fett og vann, de kan ikke blande seg, men frastøter hverandre. Slik oppfører aerogelen seg nå.

Overflatemodifiseringen sørger for å stabilisere gelen i fuktig luft og forlenge levetiden på materialet.

– Overflatemodifiseringen kan gjøres i romtemperatur på laboratoriet og det kan utføres i industriell skala. Kjemikaliene som brukes er rimelige og lett tilgjengelige, sier Kristiansen.

Førsteamanuensis Karina Mathisen som veiledet Kristiansen, sier at selv om materialet i aerogel er rimelig og lett tilgjengelig, har kommersiell framstilling til nå vært en utfordring.

Tidligere metode for tørking av den våte gelen har vært dyr, komplisert og faktisk farlig på laboratoriet. Små stykker aerogel måtte tørkes om gangen. Men da blir ikke materialet hydrofobt.

– Jeg måler gelene for å se og være sikker på at vannet er helt ute av aerogelen. Når aerogelet er ferdig tørket, inneholder den metallkationer med gode katalysiske egenskaper, sier Kristiansen.

Kobber i to tilstander

Men hva skjer med kobberet i aerogelen?

Kobberet i Kristiansens aerogel veksler mellom to tilstander. Den ene tilstanden er når kobberet som kationer (positivt ladde ioner) sitter i aerogelstrukturen. Slike kationer er løselig i vann.

Under katalysiske prosesser kan den andre tilstanden av kobberet dannes: Metalliske nanopartikler. På grunn av porene i aerogelen er partiklene veldig små, kun én nanometer.

For å se hvordan kobberet oppfører seg i aerogelen, tilsetter Kristiansen gassblandinger og varmer opp stoffet. Ved rett temperatur og gassblanding kan forskeren også simulere forholdene i en bilkatalysator.

Nanopartikler

– Så små metallpartikler har svært gode egenskaper i katalyse. Aerogelen stabiliserer partiklene, som vi kaller «aktive punkter», og hindrer dem i å klumpe seg sammen og danne større enheter. Samtidig beholder partiklene samme funksjonalitet, forklarer Kristiansen.

Gelen beholder også sine egenskaper, men påvirkes likevel av metallet. Aerogelen beholder porøsiteten, men størrelsen på porene endres alt etter hvor mye metall som blir tilsatt. Slik kan Kristiansen skreddersy strukturen, porene, i aerogelen.

Dette betyr at aerogel kan skreddersys som bæremateriale for flere typer metaller som har ulike egenskaper.

Isolerte partikler

Aerogelen er nå endelig blitt et bæremateriale for kobberet – som er oksidert som kationer og som vanlige metallpartikler. Materialet er en effektiv katalysator i dieselbiler.

– I dieselbilen vil de farlige nitrogenoksidene som strømmer gjennom aerogelen på de aktive punktene reagere til ufarlige gasser som nitrogen og oksygen, forklarer Kristiansen.

– Det er viktig at aerogelen som bæremateriale holder de aktive punktene stabile med tanke på tilstand, form og størrelse slik at de fungerer som effektiv katalysator, sier førsteamanuensis Karina Mathisen.

– En katalysator skal virke så lenge som mulig, også under høye temperaturer og høyt trykk. Temperaturen stabiliserer metallet når de aktive punktene er isolert fra hverandre. Hvis de aktive punktene klumper seg sammen slutter katalysatoren å virke, avslutter Mathisen.