Katalysatorer er en af de ting, som kun få mennesker tænker meget over, ud over måske i gymnasiets kemi, men de får verden til at fungere. Næsten alt i dit daglige liv afhænger af katalysatorer: biler, Post-It-noter, vaskemiddel, øl.

Katalysatorer findes overalt omkring os.

Katalysatorer er en af de ting, som de færreste mennesker tænker meget over, ud over måske i gymnasiets kemi, men de får verden til at fungere. Næsten alt i dit daglige liv afhænger af katalysatorer: biler, Post-It-noter, vaskemiddel, øl. Alle dele af dit sandwichbrød, cheddarost, kalkunstegt kalkun. Katalysatorer nedbryder papirmasse for at fremstille det glatte papir i dit blad. De renser dine kontaktlinser hver aften. De forvandler mælk til yoghurt og olie til plastmælkskander, cd’er og cykelhjelme.

Hvad er katalyse?

Katalysatorer fremskynder en kemisk reaktion ved at sænke den mængde energi, der skal bruges for at få en reaktion i gang. Katalyse er rygraden i mange industrielle processer, som anvender kemiske reaktioner til at omdanne råmaterialer til nyttige produkter. Katalysatorer er en integreret del af fremstillingen af plast og mange andre forarbejdede produkter.

Selv den menneskelige krop kører på katalysatorer. Mange proteiner i din krop er faktisk katalysatorer kaldet enzymer, som gør alt fra at skabe signaler, der bevæger dine lemmer, til at hjælpe med at fordøje din mad. De er virkelig en grundlæggende del af livet.

Små ting kan have store resultater.

I de fleste tilfælde skal du kun bruge en lillebitte mængde af en katalysator for at gøre en forskel. Selv størrelsen af katalysatorpartiklen kan ændre den måde, en reaktion forløber på. Sidste år fandt et hold fra Argonne, herunder materialeforskeren Larry Curtiss, at en sølvkatalysator er bedre til sin opgave, når den er i nanopartikler, der kun er få atomer brede. (Katalysatoren omdanner propylen til propylenoxider, som er det første skridt i fremstillingen af frostvæske og andre produkter).

Det kan gøre tingene grønnere.

Industrielle fremstillingsprocesser for plastik og andre vigtige genstande producerer ofte grimme biprodukter, som kan udgøre en fare for menneskers sundhed og miljøet. Bedre katalysatorer kan være med til at løse dette problem. For eksempel producerer den samme sølvkatalysator faktisk færre giftige biprodukter, hvilket gør hele reaktionen mere miljøvenlig.

En katalysator er i bund og grund en måde at spare energi på. Og hvis man anvender katalysatorer i stor skala, kan man spare verden for en masse energi. Tre procent af al den energi, der bruges i USA hvert år, går til at omdanne ethan og propan til alkener, som bl.a. bruges til at fremstille plastik. Det svarer til mere end 500 millioner tønder benzin.

Katalysatorer er også nøglen til at frigøre biobrændstoffer. Al biomasse – majs, switchgrass, træer – indeholder en sej forbindelse kaldet cellulose, som skal nedbrydes for at lave brændstof. Hvis man finder den perfekte katalysator til at nedbryde cellulose, vil biobrændstoffer blive billigere og mere levedygtige som en vedvarende energikilde.

Ofte har vi ingen idé om, hvorfor de virker.

De præcise årsager til, at katalysatorer virker, er ofte stadig et mysterium for forskerne. Curtiss arbejder med beregningsbaseret katalyse: ved at bruge computere til at løse det komplicerede samspil mellem fysik, kemi og matematik, der forklarer, hvordan en katalysator fungerer.

Når de har fundet ud af processen, kan forskerne forsøge at bygge en katalysator, der fungerer endnu bedre, ved at simulere, hvordan forskellige materialer kan fungere i stedet. Potentielle konfigurationer for nye katalysatorer kan løbe op i tusindvis af kombinationer, og det er derfor, at supercomputere er bedst til at håndtere dem.

Da Edison byggede pæren, testede han bogstaveligt talt hundredvis af forskellige glødetråde (hvilket sandsynligvis også satte tålmodigheden hos hans laboratorieassistenter på prøve), før han fandt frem til den forkullede glødetråd. Ved at drage fordel af supercomputere og moderne teknologi kan forskerne fremskynde de mange års testning og udgifter for at nå frem til gennembrud.

Curtiss kører simuleringer på Argonnes Blue Gene/P-supercomputer for at designe mulige nye katalysatorer. “Efterhånden som supercomputere er blevet hurtigere, har vi været i stand til at gøre ting, som vi aldrig ville have kunnet gøre for 10 år siden”, siger han.

De kan være afgørende for den næste store revolution inden for batterier.

Nye effektive lithium-ion-batterier var med til at gøre klodsede biltelefoner til de slanke, elegante mobiltelefoner og bærbare computere, der findes i dag. Men forskerne er allerede på jagt efter den næste revolution inden for batterier – et batteri, der en dag kan gøre et batteri let og kraftigt nok til at køre en bil 800 km i træk. En lovende idé er lithium-luft-batterier, som bruger ilt fra luften som en primær komponent. Men dette nye batteri vil kræve en fuldstændig fornyelse af den interne kemi, og det vil kræve en ny kraftig katalysator for at få det til at fungere. Et litium-luft-batteri fungerer ved at kombinere litium- og iltatomer og derefter bryde dem fra hinanden igen og igen. Det er en situation, der er skræddersyet til en katalysator, og en god katalysator vil gøre reaktionen hurtigere og gøre batteriet mere effektivt.

Hvordan laver man en ny katalysator?

Det første skridt er at forstå kemien bag reaktionerne; derefter kan forskerne bruge modellering til at designe potentielle nye katalysatorer og få dem testet i laboratoriet. Men det første skridt er vanskeligt, medmindre man kan komme ned på atomniveau for at se, hvad der sker under en reaktion. Det er her, store videnskabelige faciliteter som Argonnes Advanced Photon Source (APS) brillerer.

På APS kan forskerne bruge USA’s klareste røntgenstråler til at følge reaktionerne i realtid. I laboratoriets elektronmikroskopicenter tager forskerne billeder af atomerne, mens de reagerer. Curtiss og holdet har brugt begge dele i deres søgen efter bedre katalysatorer.