Naturgassen metan som pumpes opp sammen med olje eller fra egne naturgassreservoar, kan blant annet brukes til å lage en mengde ulike plastprodukter og drivstoff.

På verdensbasis brennes imidlertid store deler av gassen fra oljereservoar av på stedet og bidrar til store miljøutslipp istedenfor økonomisk vekst. Bedre utnyttelse av naturgass er derfor viktig både av miljøhensyn og økonomiske hensyn.

Norge er i dag en ledende forskningsnasjon på feltet og bidrar til at industriprosesser verden over har blitt mer energieffektive og mer miljøvennlige.

– Forskningen startet på 1980-tallet da oljeprisene var høye, fordi man da måtte vurdere alternative og rimeligere kilder til produksjon av drivstoff.

– Da oljeprisen sank igjen, sluttet de fleste andre med naturgassforskning, men Norge som olje- og gassnasjon så muligheten for å tjene penger på naturgass på lang sikt og satset videre, forteller professor Unni Olsbye ved Universitetet i Oslo (UiO).

Sammen med forskerkolleger jobber hun med å finne katalysatorer (se faktaboks til høyre) som gjør at de kan omdanne naturgass til ønskede produkter mer målrettet og energieffektivt.

Skreddersyr katalysatorer

UiO-forskerne jobber blant annet med zeolitter som er en gruppe porøse katalysatorer som finnes i naturen. De kan også lages i laboratoriet, og ved å endre på porestørrelse til zeolittene kan kjemikerne styre hva slags produkter som blir laget, og levetiden til katalysatoren.

Zeolitter med små porer gir små produkter som eten og propen, når metanol diffunderer gjennom porene og reagerer på overflaten av katalysatoren.

– Vår jobb er å lage råstoffet, det vil si monomerene eller byggesteinene, som kan brukes videre til å lage plast. Vi prøver å forstå det helt grunnleggende i hvordan katalysatorene virker når vi lager disse byggesteinene fra metanol, sier førsteamanuensis Stian Svelle.

Denne innsikten kan kjemikerne bruke til å endre på katalysatoren slik at de får andre byggesteiner og kan lage nye plastprodukter med andre egenskaper, for eksempel ulik mykhet eller hardhet.

– Vi kan tilpasse katalysatoren for å produsere den typen monomerer markedet etterspør. Vi har jobbet mye med modellsystemer for å forstå hva som skjer i enkle katalysatorer, deretter har vi sett på mer komplekse katalysatorer, utdyper professor Karl Petter Lillerud.

Katalysatorer med flere variasjoner

Ved UiO jobber de også en del med en annen type katalysatorer, såkalte MOF-er. MOF står for metal organic framework – metallorganisk gitterstruktur. MOF-ene består av både organiske og uorganiske byggesteiner og kan lages i mange flere varianter enn zeolittene og gir dermed kjemikerne flere valgmuligheter.

Professor Mats Tilset jobber med metallbaserte katalysatorer som brukes i organisk syntese for å lage kjemikalier, for eksempel legemidler. Disse katalysatorene er bygget opp rundt et metallatom slik som palladium eller platina.

– Det geniale er at disse katalysatorene også kan bygges inn i hjørnene på MOF-er. På den måten blir kunnskap om katalysatorer som er laget for andre formål, nyttig også for dem som skal omdanne naturgass til ulike typer byggesteiner, sier Tilset.

Svelle påpeker at den termiske og kjemiske stabiliteten til MOF-ene kan være en utfordring ved bruk. Lillerud har laget materialet UiO-66 som er oppkalt etter Universitetet i Oslo. Det er en av de mest stabile MOF-ene som er kjent.

Høyteknologiske metoder

Håndverket katalyse har ifølge Olsbye forandret seg mye de siste tiårene.

– Tidligere var feltet dominert av ingeniører med prosessteknologisk tankegang. Man prøvde å optimalisere prosessene ved systematisk å variere prosessbetingelser, heller enn å ta utgangspunkt i hva som skjer på atomnivå i de kjemiske reaksjonene, sier hun.

– Nå har vi fått metoder til å studere katalysatorene mens prosessen skjer, så nå bruker vi stadig flere typer kjemiske analyseteknikker til å undersøke prosessene.

En av disse nye metodene innbefatter bruk av synkrotronen i Grenoble i Frankrike. Denne enorme partikkelakseleratoren kan blant annet gi veldig intens røntgenstråling og har blitt et viktig forskningsverktøy for fysikere og kjemikere over hele Europa.

– Strålingen fra denne synkrotronen kan brukes til å studere blandingen av gass og katalysator mens reaksjonen foregår. Katalysatoren er plassert inni en liten laboratoriereaktor på ca. én centimeter i diameter.

– Vi får ut signaler som vi kan analysere for å finne ut hva som skjer med katalysatoren og produktet underveis, forteller Olsbye.

– Dette er svært tidkrevende og kostbare eksperimenter, men de gir helt ny innsikt i hvordan katalysatorene virker. For fem år siden, før vi hadde denne metoden, antok vi hvordan katalysatoren vekselvirket med stoffene som skal reagere. Nå vet vi hvordan mellomprodukter og sluttprodukter bygges opp og hvordan katalysatoren forringes ved deaktivering.

Lillerud forteller at de er i Grenoble tre til fire ganger i året med ulike forsøk. Bak hvert forsøk ligger måneder med forberedelser. Når de først kommer til Grenoble, kjører de døgnkontinuerlige forsøk i tre til fire dager, til en pris på 80 000 norske kroner per time.

Etter at forsøkene er gjennomført, gjenstår det gjerne ett år med analysearbeid. Derfor er det helt avgjørende at planleggingen har vært god, slik at de utfører de best mulige forsøkene.

Kampen om analysetid i Grenoble er tøff, men nå bygges det en enda større og bedre synkrotron i Lund for å øke kapasiteten for europeiske forskere.

Syltynne katalysatorer virker bedre

Lokalene til kjemikerne ved UiO er fulle av plastmodeller av ulike katalysatorer. Modellene viser den atomære strukturen til katalysatorene. Mange er nesten kubiske og er tredimensjonale nettverk med sideflater på omtrent 30 centimeter. Men forstørrelsen er enorm:

En centimeter i plastmodellen tilsvarer en tiendedels nanometer i den virkelige katalysatoren. Den er altså forstørret 100 millioner ganger.

– En virkelig katalysatorkrystall er satt sammen av veldig mange slike repeterende enheter. Porene er bare akkurat store nok til at molekylene som skal reagere, går gjennom.

– I en slik kubisk katalysator blir det langt for små molekyler å komme seg til kjernen av katalysatoren, og den innerste kjernen av katalysatoren blir ikke utnyttet effektivt, forteller Svelle.

Istedenfor for å lage disse nesten kubiske katalysatorkrystallene har forskerne derfor laget mer todimensjonale katalysatorkrystaller som er veldig tynne i en av retningene, bare fire nanometer.

Til sammenlikning er et hårstrå cirka 50 000 nanometer i diameter. Det betyr at det kan ligge i alle fall 10 000 katalysatorflak i bredden på et hårstrå.

– Med så tynne katalysatorer blir det lett for metanol å komme inn til kjernen der den kan reagere og omdannes til eten og propen, påpeker Svelle.

Internasjonalt samarbeid viktig

Olsbye sier at enorme framskritt innen elektronmikroskopi har vært veldig viktig for arbeidet deres. Gjennom internasjonalt samarbeid har forskerne ved UiO fått muligheten til å ta bilder med så god oppløsning at de nesten kan se på katalysatoren på atomnivå.

UiO-forskerne forteller at katalysatorforskningen blir mer og mer krevende. Derfor jobber de i team med kjemikere med ulike spesialiteter.

De må hele tiden bygge på tidligere erfaringer for å komme opp med nye løsninger, og det gjelder å være årvåken nok til ikke å overse viktige tilfeldigheter. Lillerud påpeker at det kan ta noen år mellom hver gang arbeidet deres genererer de store overskriftene.

De bygger stein på stein forsiktig, og de går langsomt, men systematisk framover. Mange små steg kan føre til store framskritt når de har langsiktig og forutsigbar finansiering.

– Det at den norske stat har vært forutseende nok til å investere i tide og har satset langsiktig og kontinuerlig på katalyse gjennom ulike forskningsprogrammer i Forskningsrådet, gjør at vi i dag ligger i front internasjonalt og er etterspurte samarbeidspartnere og foredragsholdere, sier Olsbye.