Novel concepts for cold activation of energy-intensive chemical processes

I endringen fra fossilbasert til fornybar energi vil prosesser for å produsere materialer, brensel og kjemikalier starte med lavenergimolekyler CO2, H2O og N2. Prosessen trenger derfor energi, og i stedet for termisk vil den bli bedre og mer effektivt forsynt kaldt, det vil si i form av for eksempel elektroner eller fotoner, og temperaturen vil bli holdt så lav som mulig ved effektiv katalyse. Vellykket gjennomføring vil bidra til å fremskynde overgangen til et bærekraftig samfunn, og bidra til omstilling til grønn norsk og global kjemisk industri. I prosjektet COLD utforsket vi tre konsepter for N2-aktivering: Ett fokuserte på nylig oppdaget elektrisk aktivert overflateprotonisk katalyse av ammoniakksyntese. De to andre omfattet ny bruk av fotoner og ultralyd for å drive endotermiske prosesser knyttet til produksjon av nitrater fra luft og vann. Prosjektet er gjennomført i forskningsgruppene til prof. T. Norby og prof. E. Uggerud ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi (SMN) og Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo. Den har løpt i 3 år, utdannet to forskere på postdoktornivå og hatt et budsjett på nærmere 8 MNOK. Midtveismilepælene for de tre konseptene ble alle oppfylt ved at alle nye teknologier splittet og bandt nitrogen N2 i ammoniakk eller nitrater ved lavere temperaturer enn tidligere oppnådd for sammenlignbare prosesser. Effekten av det elektriske feltet i stedet for ohmsk oppvarming ble bekreftet, og et nytt regime av ammoniakksyntese ved lavere temperaturer enn før ble oppdaget. Fotokatalytisk produksjon av NOx fra luft ble demonstrert. Nitrater ble produsert ved høyenergikavitasjon under sonikering av vann med oppløst nitrogen og oksygen. Den katalytiske virkningen av edle gasser ble utforsket. Andregenerasjons-reaktorer ble designet og bygget for oppskalering til mer kvantitative analyser av produktutbytter og energieffektivitet, men gjennomføringen bremset av pandemien i andre prosjekthalvdel. Noen resultater følges opp i publikasjoner og annen formidling i etterkant etter hvert som pandemien letter, mens andre vurderes for patentering og oppfølgingsprosjekt for evaluering av kommersialiseringspotensial.

Prosjektet har ført til nytt samarbeid mellom grupper for Elektrokjemi og Teoretisk kjemi ved UiO. Gjennom etablerte kontakter og prosjektets rådgiverpanel er det knyttet nettverk til internasjonale miljøer og norsk kunstgjødselindustri. Dette øker evnen til å vurdere konseptene og forskningens potensial for anvendelse og utforming av strategier for oppfølging. Prosjektet har ført til bekreftelse på og ny forståelse for en ny katalytisk prosess for ammoniakksyntese, og for sonokjemisk syntese av nitrater. Dette er publisert eller under publisering. Prosjektet har videre ført til oppdagelse av en prosess for katalytisk syntese av ammoniakk i kaldt plasma. Denne er neppe energieffektiv nok, men interessant vitenskapelig sett. Endelig har prosjektet demonstrert en ny fotokatalytisk prosess for syntese av nitrater. Denne følges opp med IPR og danner sammen med sonokjemisk syntese og øvrige teknologier grunnlag for videre prosjektsøknader for å øke TRL mot innovasjon og kommersialisering.

In the change from fossil- to renewable-based energy, processes to produce materials, fuels, and chemicals must change from thermoneutral or exothermic to endothermic, and the raw chemicals will be low-energy molecules like CO2, H2O, and N2. Instead of thermal, the energy required will be better and more efficiently supplied cold, i.e. in the form mainly of electrons or photons, and the temperature will be kept as low as possible by low-activation energy paths. Successful implementation of such processes will help speed up the transition to a sustainable society, and will help Norwegian and global chemical industry to take lead in this respect. In the project COLD we explore three novel approaches to this: One applies novel aspects to a recently published electric field enhanced surface protonic catalysis. The two other comprise proprietary inventions as to the use of electrons and photons to drive endothermic processes. Example reactions addressed are related to fertiliser production and utilisation of CO2. The project is carried out in collaboration between the research groups of profs. T. Norby and E. Uggerud at Centre for Materials Science and Nanotechnology (SMN) and Department of Chemistry at the University of Oslo. It runs for up to 3 years with midway evaluation, trains two post-doctor-level young researchers, and has a full-length budget close to 8 MNOK.