The chemistry of CO2 activation and fixation

I tillegg til å begrense forbrenningen av fossilt brensel, finnes det to strategier for å motvirke økningen av CO2-innholdet i atmosfæren. Den mest omtalte er karbonfangst og lagring (CCS) ? det vil si at en fanger CO2 fra forbrenningsprosesser og begraver det i geologiske strukturer. Det er strategien som ligger i den såkalte månelandingen på Mongstad, og nå ved Brevik-anlegget. Den andre strategien er å ha naturen som forbilde og utvikle kunstig fotosyntese, det vil si å omdanne CO2 til kjemiske forbindelser som i sin tur kan benyttes industrielt eller som drivstoff. I den naturlige fotosyntesen kommer energien fra sollyset. Det er imidlertid fullt mulig å drive liknende reaksjoner også med andre energikilder. Prosjektet vårt "The chemistry of CO2 activation and fixation" er inspirert av det vi i dag vet om de kjemiske reaksjonsmekanismene som inngår i naturlig fotosyntese, men med en viktig forskjell, nemlig måten CO2-molekylet aktiveres for reaksjon. Ved å tilføre to elektroner til CO2-molekylet for dermed å sette i gang reaksjoner der karbonatomet danner bindinger til andre atomer eller atomgrupper, åpner vi opp for en annen type kjemi enn den vi finner i naturen. Vi studerer og beskriver de grunnleggende faktorene som regulerer dannelsen av kovalente bindinger mellom karbonatomer, og mellom karbonatomer og hydrogenatomer, for dermed å legge et bedre grunnlag for kunstig fotosyntese. Prosjektet er i godt gjenge ved at det ved rapporteringen i 2017 var publisert en artikkel, to i 2018, to i 2019, to i 2020 og en i 2020. Resultater fra prosjektet har dessuten blitt formidlet i en rekke foredrag ved internasjonale konferanser, samt popularisert nasjonalt. Gjennom prosjektet har en postdoktorstipendiat kvalifisert seg til fast vitenskapelig stilling, en ph.d.-stipendiat har disputert, mens en annen arbeider mot sin doktorgrad.

Gjennom de siste ti årene har det internasjonalt skjedd en eksplosiv økning i interessen for CO2-kjemi. Dette skyldes skyldes den økende bevisstheten om klima og bærekraft. Gjennom arbeidet i dette prosjektet er det vist hvordan ulike grunnstoffatomer i ulik grad aktiverer CO2-molekylet for videre reaksjon. Denne grunnleggende kunnskapen er av betydning for å finne fram til de best egnete metodene og materialene for omdanning av CO2 til nyttige kjemikalier.

Our objective is to determine the essential molecular factors, at the most fundamental level, that govern how CO2 forms covalent bonds to hydrogen and carbon, mediated by electrons and catalysed by specific metals. This knowledge is of high relevance to large-scale processes in which carbon dioxide may be converted to commodity chemicals and polymers, and to biological CO2 fixation. This will be achieved by employing state-of-the-art experimental techniques of accurately defined gas phase reaction systems and key species, infrared action spectroscopy and advanced mass spectrometric and ion storage techniques. In addition, large-scale quantum chemical modelling for accurate simulation of spectral properties, reaction mechanisms and dynamics will be applied, thus significantly enhancing the interpretation of the experimental findings. This unique combination of experimental and computational methodology, alongside with the well-documented ability of the PIs in producing original and high-quality research, warrants highly significant outcome from the project, to be published in the best journals. The three-year project will hire one postdoctoral fellow and two Ph.D. students, who will benefit from the combined expertise of two research groups, and their local, national and international network of top-level collaborators. Costs for experimental campaigns in Oslo, Berlin, Paris and Stockholm are included.