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 Kibsgaardjkib@fysik.dtu.dk

Danmarks Fysik‐ og KemilærerforeningKøbenhavn/Sjælland, Generalforsamling 2017

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: DTUjkib@fysik.dtu.dk

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

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

Hvad arbejder vi med i SurfCat?

Hvad er en katalysator?

Værdien af katalyse

Data fra den Internationale ValutafondDet globale marked for katalysatorerne alene er 28 mia. US$ per år

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'

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

Store ”grand” udfordringer i det 21. århundrede

Konflikt ogterrorisme

Vandressourcer

Energiforsyningog energilagring

Prisbillig sundhedspleje

Fødevarer produktion

Miljø og Klima forandring

Biodiversitet

Mineraler

Konflikt ogterrorisme

Biodiversitet

Mineraler

Katalyse er vigtigere end nogensinde

Vandressourcer

Energiforsyningog energilagring

Prisbillig sundhedspleje

Fødevarer produktion

Miljø og Klima forandring

Katalyse

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

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

Globalt energiforbrug

Globalt energiforbrug (effekt):2013: 18 TW2050: 30 TW

1 W 103 Wkilo

106 Wmega

109 Wgiga

1012 Wtera

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

CO2 udledning

2 timer1 år

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

ExxonMobil’s syn på energi i fremtiden

ExxonMobil, 2017 Outlook for Energy: A View to 2040

KernekraftVind/sol

Andre vedvarende

Andel af primær energi

Hvor kommer energien fra og hvor bliver er den brugt?

1 quad = 1015 BTU = 1.055×1018 J

Bæredygtig produktion af brændstoffer og kemikalier

SurfCat: Elektrokatalyse

N2CO2H2O

Elektrokatalyse

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).

Elektronik Køretøjer Huse

Natur gas

Elektrolyse

HydrotreatingAmmoniak

Kemisk reagens Energibærer

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)

Bæredygtig brint produktion

2H2O 2H2 + O2

Ilt (O2) Brint (H2)

Vand (H2O)

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

Hvad gør en katalysator god?

TEM billede: Christian D. Damsgaard

Mange knapper at skrue på…

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

Volmer‐Heyrovsky

Mekanisme for brint udvikling

Volmer‐Tafel

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.

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.

2H+ + 2e- H2

Elektrode overfladen bestemmer overpotentialet.

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

2H+ + 2e- H2

Elektrode overfladen bestemmer overpotentialet.

Ultra Høj Vakuum

Skanning Tunnel Mikroskopi

Afbillede overflader med atomar opløsning!

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

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

Hvor god er MoS2?

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

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

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

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

J. Kibsgaard, T. F. Jaramillo and F. Besenbacher, Nature Chemistry, 2014, 6, 248‐253

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)

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!

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

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

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).

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‐

Hvad vil vi gerne lave?

Sammensætte en katalysator atom for atom

Fysiklærerforeningens-GF 2017 JakobKibsgaard¸benhavn-Sjælland/...Brian Seger Lektor Peter C. K....

Documents

PANDUAN PENYUSUNAN PROPOSAL PENELITIAN LEKTOR … · PENYUSUNAN PROPOSAL PENELITIAN LEKTOR KEPALA LEMBAGA PENELITIAN DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT ... Susunan organisasi tim peneliti

DET. KOL. BIBLIOTEK K BENHAVN REUEBSIAHEESAMFUHDEISVA … · 2017-05-15 · DET. KOL. BIBLIOTEK K BENHAVN REUEBSIAHEESAMFUHDEISVA mmm MEDLEMSBLADK 4. Serie Nr. januar' 1937 Et par

Lektor: Lenka Blahová

REGULASI PENGUSULAN LEKTOR KEPALA & GURU ...sdm.mercubuana.ac.id/download/bimtek_pengajuan/Tuti...2020/10/20 · REGULASI PENGUSULAN LEKTOR KEPALA & GURU BESAR LLDIKTI WILAYAH III

Pendidikan dan Pelatihan Dasar (Diklatsar) Dosen Tetap Non … · 2017. 7. 26. · Lektor (200 / 300 kum) Lektor Kepala (400/550/700 kum) Lektor Kepala (400/550/700 kum) Guru Besar

Debasish Das MBA

PANDUAN PENYUSUNAN PROPOSAL PENELITIAN LEKTOR · PENYUSUNAN PROPOSAL ... Buku Panduan Penysunan Proposal Penelitian Lektor ini merupakan panduan edisi ... HKI, buku/bahan ajar,

sdmo.its.ac.id · lektor kepala (550 kum) lektor kepala (400 kum) lektor (300 kum) lektor (200 kum) asisten ahli ( 150 kurn) Œknolog¿ sepo rektor fungsional tor, .sc.es,ph.d.--7

Mette Krogh Christensen, lektor, ph.d

Skindergade 5 | 1159 K¿benhavn K | +45 339176 10 / +45

Spansk lektor - [Humsam-ILOS] Universitetet i Oslo

Ved Michael Pedersen, Lektor, CBS ael Pede - … · ael Pede . Ledelse gennem kerneopgaven i en turbulent tid. Ved Michael Pedersen, Lektor, CBS

Audiitorkontroll 2012 ska lektor

SALINAN PERATURAN REKTOR UNIVERSITAS DIPONEGORO … rektor... · Lektor kepala Gol IV OB 5.316.471 Lektor kepala Gol III OB 4.756.842 Lektor Gol IV OB 3.938.824 Lektor Gol III OB

Håndtering af uhensigts- mæssige uddannelsesforløb · Allan Rohold, PUF-lektor Jonna Skov Madsen, PUF-lektor Steen Tinning, afdelingschef Claus Østergaard, fuldmægtig Frederik

EGZAMIN POTWIERDZAJĄCY KWALIFIKACJE W ZAWODZIE Rok … · Scenariusz reklamy radiowej. LEKTOR: Najpotężniejsza spłuczka świata!!! Dźwięk spłuczki – efekt1. LEKTOR: Z siłą

klimatilpasning og byfornyelse af k¸benhavn gennem transformation af specifikke nedslagspunkter

Bryndís Björk Ásgeirsdóttir, lektor Viðskiptadeild | sálfræðisvið

Rupam Kalita and Debasish Borah - arXivRupam Kalita∗ and Debasish Borah† Department of Physics, Tezpur University, Tezpur-784028, India Abstract We study the possibility of connecting

Caroline Howard Grøn, Lektor,Ph.d. · AARHUS UNIVERSITET Ledelseslyst og ledelsesglæde Oplæg, Årskongres for myndighedsledere og –chefer Caroline Howard Grøn, Lektor,Ph.d