Glycerol blir värdefulla kemikalier och energirik vätgas

Vätgas förväntas få en stor betydelse i ett framtida hållbart samhälle, då det kan ersätta fossila kolbaserade kemikalier i en lång rad tekniska processer som producerar väsentliga mängder koldioxid. Bland dessa finns järntillverkning (vätgas ersätter koks) och drivmedel för fordon, antingen direkt eller i konverterad form som metan eller metanol.

Stora mängder vätgas går också åt vid konstgödseltillverkning, och hydrogenering exempelvis i margarintillverkning. Idag tillverkas vätgas till största delen genom icke hållbara, fossilbaserade metoder. Syftet med detta projekt är att utveckla billiga och ”gröna” metoder för att tillverka vätgas genom elektrolys av en vattenlösning där vätgas bildas vid katoden.

Figur 1. Glycerol som biprodukt från produktion av biodiesel ur t. ex. raps och svartlut
Figur 1. Glycerol som biprodukt från produktion av biodiesel ur t. ex. raps och svartlut som blir över vid papperstillverkning blir värdefulla kemikalier och energirik vätgas.

Oxidering av alkoholer kan leda till över 60% energibesparing

En sådan anläggning kan drivas med förnybar el och utnyttja perioder av överskott av elproduktion, där priserna är låga. I konventionell vattenelektrolys tillverkas syrgas vid anoden. Ett sätt att minska elförbrukningen är att istället oxidera alkoholer, vilket kan leda till energibesparingar på över 60%! Om detta skall bli lönsamt måste alkoholen vara mycket billig, och gärna dessutom oxideras till värdefulla produkter. En sådan alkohol är glycerol, som idag produceras i stora mängder som biprodukt när man gör rapsbiodiesel, och andra produkter baserade på fettsyror från olika oljeväxter. Oxidationsprodukterna från glycerolen är potentiellt värdefulla för olika typer av användningar, t ex ”brun utan sol”.

Vattenlösningsskikt på a) CHx-grupper och b) OH-grupper
Figur 2. Vattenlösningsskikt på a) CHx-grupper och b) OH-grupper. Avstånd mellan R-CHx- och R-OH-grupperna och den närmaste vattenmolekylen anges med d(C---H) respektive d(O---H).

Biprodukt vid kemisk massatillverkning ger nya katalysatorer

En annan möjlighet är att använda nedbrytningsprodukter av kolhydrater och alkoholer i svartlut som är en biprodukt vid kemisk massatillverkning och som idag förbränns. För att få en effektiv elektrolys med låg elförbrukning och hög selektivitet för önskade reaktioner krävs dock att elektroderna är täckta med avancerade katalysatormaterial. Utifrån kvantkemiska modellberäkningar föreslår vi lovande katalysatormaterial, som sedan tillverkas och undersöks med såväl ytanalyser som elektrokemiska metoder. Baserat på de experimentella resultaten utvecklas beräkningarna och ger nya förslag på katalysatorer, som tillverkas och undersöks i en cyklisk process. Huvudfokus är selektiva och aktiva material för oxidation av biprodukten glycerol, men även katalysatorer för vätgasutveckling ur restprodukter från massabruk undersöks.

Katalysatorer måste vara miljövänliga och resistenta mot oxidering

För att katalysatorn ska vara industriellt användbar är det inte bara reaktiviteten hos materialet som vi måste tänka på. Vi har i våra teoretiska beräkningar undersökt aktiviteten hos mer än 3500 kombinationer av olika material och funnit ett antal intressanta kandidater. Dock vill man i industrin inte basera processer på giftiga material. Dessutom måste de vara resistenta mot oxidering och vara stabila över tid vilket eliminerar ett stort antal kombinationer. Slutligen kommer priset in som sista steg i filtreringen av lämpliga kandidater (se figur 3).

Flödesschema för lämpliga material
Figur 3. Flödesschema över kriterierna som används för att föreslå lämpliga material bland de som de teoretiska kvantkemiska beräkningarna indikerar som mycket aktiva.

Elektrokemisk cell ger energisnål produktion av vätgas

Under 2023 ska en elektrokemisk cell i pilotskala byggas. Den utrustas med den bästa katalysatorn som baseras på en kombination av palladium och nickel för att demonstrera energisnål produktion av vätgas och värdefulla produkter från glycerol.

Forskningsresultaten är framtagna i ett samarbete

Ann Cornell, (huvudansvarig), Tillämpad elektrokemi, KTH
Lars G.M. Pettersson, Fysikum, SU
Mats Johnsson, Materialkemi, SU
Gunnar Henriksson, Träkemi och massateknologi, KTH
German Salazar-Alvarez, Materialvetenskap, UU
Finansiering: 27.6 MSEK Stiftelsen för Strategisk Forskning 2018-2024

Målsättning: Att utveckla katalytiska elektrodmaterial, med sammansättning och morfologi som möjliggör en effektiv vätgasproduktion, samtidigt som billiga, förnybara alkoholer omvandlas till värdefulla produkter.