Professor Ib Chorkendorff forsker i katalysatorer, som kan hjælpe verden til en fossilfri energiforsyning. Den 22. januar 2021 modtager han Villum Kann Rasmussens Årslegat til Teknisk og Naturvidenskabelig Forskning 2021 på 5 mio. kr.

Af videnskabsforfatter Lise Bock, HA og cand.scient.

Danmark har med klimaloven af juni 2020 forpligtet sig til at blive klimaneutral i 2050. EU har lignende lovgivning på vej. Det betyder en udfasning af fossile brændstoffer. For at nå dertil er der nogle meget store udfordringer. På Danmark Tekniske Universitet er der en stor forskningsindsats i gang for at finde løsninger.

”Vi vil jo gerne have et komfortabelt liv, der ligner det, vi har i dag, men stadig være klimaneutrale. Det er det, øvelsen går ud på,” fortæller Ib Chorkendorff. Han professor ved DTU og leder forskningscentret ‘The VILLUM Center for the Science of Sustainable Fuels and Chemicals’ (V-SUSTAIN). Her forsker de i katalysatorer. Katalysatorer vil kunne bruges til at løse nogle af de allersværeste udfordringer ved et klimaneutralt samfund.

Nu modtager Ib Chorkendorff Villum Kann Rasmussens Årslegat på 5 mio. kr. for sit markante bidrag til teknisk og naturvidenskabelig forskning.

Ib Chorkendorff, CV

Født 1955, født og opvokset på Fyn, bosat i Nordsjælland

Gift og far til en voksen datter

Professor ved Danmarks Tekniske Universitet, Institut for Fysik, leder af afdelingen ”Surface Physics and Catalysis” (SurfCat)

Leder af forskningscenteret “The VILLUM Center for the Science of Sustainable Fuels and Chemicals” (V-SUSTAIN), 2016-2024

Tildelt et ERC Advanced Grant fra Det Europæiske Forskningsråd, 2017-2022

Leder af Grundforskningscenteret ”Center for Individual Nanoparticle Functionality” (CINF) ved DTU, 2005-2016, samt flere andre forskningscentre

Modtager af Julius Thomsen Guldmedalje, 2019

Medlem af Det Kongelige Danske Videnskabernes Selskab, 2018

Fellow ved Royal Society of Chemistry, 2015

Postdoc ved University of Pittsburg, 1986-1987

PhD i fysik, Odense Universitet, 1985

Forfatter til 367 peer-reviewed artikler, 1 lærebog og 22 patenter/patentansøgninger

Medstifter af tre spin-off virksomheder

Er blandt de 60 danske forskere på Clarivate Analytics liste over verdens mest indflydelsesrige forskere (baseret på citationer i Web of Science)

Se Ib Chorkendorffs profil på DTU her.

En opvækst tæt på naturens kredsløb

Ib Chorkendorff voksede op på en bondegård på Fyn. Det var dengang i 1960’erne, da danskernes energiforbrug steg drastisk. Fjernsyn, køleskabe, vaskemaskiner og andre elektriske husholdningsapparater flyttede ind i danskernes hjem. Behovet for elektricitet steg, og de første elektricitetsværker baseret på atomkraft begyndte at skyde op flere steder i verden.

Udviklingen af atomkraft var blandt andet sket på baggrund af den danske fysiker Niels Bohr og hans atommodel. Han og hans arbejde var en inspiration for Ib Chorkendorff: ”Da jeg var barn, så jeg nogle fjernsynsudsendelser om Niels Bohr. Han var en folkehelt. Det er jo fantastisk, at man kan finde en ny kraftkilde, som man ikke kendte til.”

Det var både de store kræfter ved fissions- og fusionsenergien – og de helt små detaljer – der fangede ham. ”Jeg husker tydeligt, at der er atom; og så er der noget inden i det, der kører rundt. Det var jo elektronerne. Det var meget fascinerende.”

Interessen for fysik og kemi var vakt. Samtidig bibeholdt han forståelsen af naturens kredsløb. ”Vi havde køer, svin, høns, ænder og duer på gården. Jeg har stadigvæk høns. Jeg har også køkkenhave. Det er meget hyggeligt. Der kan man jo også se, at der sker noget med det samme.”

Tidshorisonterne er væsentlig længere i hans forskning. Men perspektiverne er så meget større. Lykkes det, kan Ib Chorkendorff være med til at gøre verdens energiforsyning fossilfri.

Fotos: Simon Klein-Knudsen

De klimaneutrale udfordringer

Hvis Danmark, EU og forhåbentlig også resten af verden skal være klimaneutrale i 2050, kræver det en storstilet indsats. Meget af energiforsyningen kan klares ved hjælp af vedvarende energikilder som sol og vind. Men nogle af de store udfordringer er langtidslagring af energi; fremstilling af kemikalier; og udvikling af brændstof til for eksempel fly.

Ib Chorkendorff fortæller, at han jævnligt flyver til San Francisco for at mødes med sine samarbejdspartnere på Stanford University. ”Flyet vejer vejer 300 ton ved lift-off, hvoraf de 100 ton er fossilt brændstof. Skulle flyet i stedet drives af batterier, ville det veje 14 gange så meget. Vi har brug for et kunstigt brændstof, fremstillet ved hjælp af vedvarende ressourcer.” Udvikling af kunstigt brændstof, det er et af indsatsområderne i Ib Chorkendorffs forskningscenter.

Andre indsatsområder er udvikling af kemikalier til fremstilling af for eksempel maling og plastik, der i øjeblikket bliver lavet af fossilt brændstof. Der skal også findes løsninger.

Men en af de virkelig store udfordringer, der er helt essentiel for vores fødevareforsyning, er fremstilling af kvælstofgødning. Kvælstof, også kaldet nitrogen (N), har altid været en begrænsende faktor i landbruget. Noget af kvælstofgødningen kommer fra husdyrenes urin, som er en del af gyllen. Resten bliver fremstillet kunstigt ved at danne ammoniak (NH3). Det kræver meget energi og laves i store centrale anlæg. Ib Chorkendorff fortæller, at ”man i dag bruger omkring 1 % af verdens energiforbrug på at fremstille ammoniak”. Det kan man gøre mere energieffektivt og også mere miljøvenligt.

Løsningen på flere af de klimaneutrale udfordringer er katalysatorer. En katalysator er et stof, der fremmer en kemisk proces, uden selv at blive forbrugt. Den mængde energi, der skal til for at igangsætte processen, er mindre ved brug af katalysatorer, og reaktionshastigheden er højere.

Katalysatorer kender vi fra bilerne. De skal have en katalysator, så udstødningens skadelige gasser bliver omdannet til uskadelige forbindelser. Katalysatorer som dem i biler er heterogene katalysatorer, det vil sige, at de er i en anden fase end processens bestanddele. Som regel er de metaller, der hjælper med at omdanne gasser. Heterogene katalysatorer ved Ib Chorkendorff alt om. Han har arbejdet med dem i årtier.

Solgt til katalysatorer

”Da jeg startede på universitet, anede jeg ikke, at der fandtes et job som det her,” fortæller Ib Chorkendorff. Efter gymnasiet begyndte han på Odense Universitet, på den naturvidenskabelige basisuddannelse, hvor man får den brede forståelse. I løbet af de første par år blev fagene i medicin, biologi, biokemi og matematik spaltet fra, og han specialiserede sig med bifag i kemi og hovedfag i fysik.

”Da jeg begyndte at komme i laboratorierne og møde forskerne, gik det op for mig, at jeg ville være forsker,” fortæller Ib Chorkendorff. Dagen efter bestået kandidateksamen i 1985 fik han et ph.d.-stipendium. ”Det var jo det, jeg ville. At generere ny viden, det synes jeg er spændende.”

Undervejs i studietiden fik Ib Chorkendorff tilbudt at være barselsvikar for en laborant i firmaet Haldor Topsøe A/S i Lyngby. Firmaet producerer katalysatorer og er grundlagt af civilingeniør Haldor Topsøe. ”Haldor, han havde jo haft Niels Bohr som lærer. Han var meget interesseret i videnskab. Han finansierede meget grundforskning også.”

Haldor Topsøes firma ejede en maskine, der kunne undersøge partiklers overflader og deres evne til at katalysere kemiske processer. Det var noget af det første overfladeudstyr i Danmark. Ib Chorkendorffs arbejde var at vedligeholde maskinen. ”Jeg var der i et halvt år, og så var jeg solgt til katalysatorer.”

Efter ph.d.’en fik Ib Chorkendorff i 1986 en postdoc-stilling i USA inden for katalyse og overfladefysik. En forskerkarriere inden for katalysatorer var godt i gang. I dag arbejder hans 40 mand store forskergruppe med at fremstille og afprøve nye katalysatorer.

Fremstilling af katalysatorer

En katalysator kan fremstilles i stor skala ved kemisk syntese, hvis ellers man ved, hvordan den skal se ud. Men hvis man skal udvikle en helt ny katalysator, og finde ud af præcis hvordan den virker, kræver det noget mere.

På Ib Chorkendorffs laboratorium står nutidens version af en maskine magen til den i Haldor Topsøe. Den er seks meter lang, lavet af stål, og med glughuller der minder om en dykkerhjelm. Indeni er trykket 13 størrelsesordner (en milliontendedel af en milliardendedel) lavere end udenfor. Det er et ultra-højt-vakuumkammer, som gør det muligt at arbejde uforstyrret af luftens ilt.

Inde i maskinen bearbejder man et materiale, som kan være en legering af udvalgte metaller. Man vil gerne optimere materialets overflade, fordi det er på overfladen, at reaktionerne sker. Derfor spalter man det til nanopartikler. Bagefter kan nanopartiklerne betrækkes med et lag atomer af et andet grundstof. Det kan både mindske materialeudgifterne og øge nanopartiklernes evne til at katalysere kemiske processer.

”Så ved at manipulere, hvor atomerne sidder på overfladen, har vi en nanopartikel, hvor overfladen bliver størrelsesordner mere aktiv,” siger Ib Chorkendorff.

Ved en af maskinens glughuller sidder det allerhelligste – et scanning tunneling mikroskop og et elektronmikroskop. Med dem kan man studerere nanopartiklernes overflade.

”Man kan simpelthen se enkeltatomer. Man ved præcis, hvad der foregår, på et atomart niveau. Det har jeg altid synes var fascinerende. Vi vil gerne have atomerne til at sidde på en ganske bestemt måde, for så kan vi sammenligne med kvantemekaniske beregninger.”

Undervejs i processen bliver nanopartiklerne testet for deres katalytiske evner. ”Måske virker det slet ikke. Så går vi tilbage til teorifolkene og diskuterer mulige forklaringer. Så kan vi prøve at finde ud af, hvorfor det ikke virker, og om vi kan finde på noget nyt. Det er måden, vi udvikler katalysatorer på. Det er bestemt ikke en lineær proces.”

Når de ved, præcis hvad nanopartiklen skal bestå af, og hvordan den skal se ud for at fungere optimalt som katalysator, skal man kunne fremstille den ved hjælp af en kemisk syntese, ellers vil den ikke kunne opskaleres industrielt.

Det skal kunne bruges

Netop samarbejdet med industrien er vigtig for Ib Chorkendorff. Da han kom hjem fra USA, søgte han derfor fra universitetsverdenen til Danmarks Tekniske Universitet. ”Grunden til, at jeg søgte herover var, at jeg gerne ville bruge det til noget. Det har en teknisk vinkel.”

Haldor Topsøe havde bedt DTU om at starte forskning i katalysatorer. Ib Chorkendorff blev ansat i 1987 til at arbejde med eksperimentel fysik på området. ”Jens Nørskov, som er teoretiker, og jeg, vi blev ansat samtidig til at starte det her op. Han skulle lave teori, jeg skulle lave eksperimenter.”

Her mere end tredive år senere supplerer Jens Nørskov og Ib Chorkendorff stadig hinanden på allerfineste vis. De er begge blandt Danmarks absolutte topforskere. Jens Nørskov har siden 2018 været Villum Kann Rasmussen-professor ved DTU efter otte år som professor ved Stanford University i Californien.

Både Ib Chorkendorff og Jens Nørskov har gennem årene ledet flere forskningscentre. De har hver haft et ti-årigt grundforskningscenter, støttet af Danmarks Grundforskningsfond. Nu er de begge professorer ved VILLUM jubilæumscentret V-SUSTAIN. Hovedparten af forskningscentret ligger på DTU, og de samarbejder med Stanford University, Syddansk Universitet og Københavns Universitet. Jubilæumscentret blev til ved en ekstraordinær tildeling fra VILLUM FONDEN i anledning af VKR gruppens 75-års jubilæum i 2016. Tildelingen var på 150 mill. kr. over otte år.

”Det er unikt at have den slags bevillinger. Det er langtidsinvesteringer. Det gør, at man kan interessere sig for nogle ting på den lange bane. Hvis man har fem-ti års perspektiv, så kan man begynde at tage nogle chancer. De store maskiner, jeg har stående hernede, det tager 1½-2 år at få dem til at virke ordentligt. Det er ikke som at lave en bil; der ved man præcis, hvordan alting skal være. Det er her, det er once-in-a-time. De går tit i stykker og skal hele tiden justeres og optimeres for at gøre det, vi gerne vil have dem til. Hvis man skal være derude på forfronten af forskningen, så skal man prøve nye ting af. Det betyder, at der er meget arbejde i det, og der er en risiko for, at det ikke lykkes. Når man har den lange bane, så kan man tillade sig at løbe en risiko.”

Lykkes det, så kan fremtidens energiforsyning være sikret, uden brug af fossile brændstoffer.

Brugen af katalysatorer

Som nævnt er katalysatorer løsningen på mange problemer. ”Hele vores forskning går jo ud på at lave power-to-x.” Det handler om at bruge elektricitet – power – til at fremstille et stof – x. Elektriciteten vil komme fra vindmøller og solceller. Stoffet kan være ammoniak til kunstgødning eller kunstigt brændstof til fly.

Det kunstige brændstof lagrer elektriciteten, så energien kan bruges, når behovet er der. ”Det vigtigste lige nu er at lave brint på en billig måde, fordi det er forudsætningen for alle de følgende processer.”

Ved ammoniakfremstilling er målet at udvikle en katalysator, der fungerer elektrokemisk, så den ikke behøver være under tryk eller høj temperatur, men kan opstilles decentralt direkte hos landmanden i en lade eller på marken. Apparatet skal kunne omdanne luftens indhold af kvælstof (N2) til ammoniak (NH3). Ideen er, at så vil man kunne dosere gødningen mere rettidigt, når planterne har brug for det. Desuden vil man kunne nedbringe landbrugets udledning af lattergas (N2O), som er en meget potent drivhusgas.

Så katalysatorer kan være nøglen til at nå målet om klimaneutralitet i 2050.

Forskningscentrets katalysator

Ib Chorkendorff er blandt verdens mest citerede forskere. Han er forfatter og medforfatter til 367 peer-reviewed artikler, og står ofte som sidsteforfatteren, der også er en slags garant for indholdet og etikken. Samtidig er han leder af både afdelingen SurfCat under Institut for Fysik og forskningscentret V-SUSTAIN, så der er ikke længere tid til selv at stå i laboratoriet og eksperimentere.

”Mine arbejdsopgaver nu er at holde mig ajour, at udvikle nye idéer, hente penge, og være vejleder. Jeg er tæt på de ph.d.-studerende, det er det, jeg synes er sjovt. Man kan sige, at jeg forsker gennem andre. Hvis man skal udvikle nye idéer, så synes jeg, at det er fantastisk at sidde og udveksle ideer med andre. Det er oftest der, man får de nye, gode idéer.”

Idéer er der heldigvis nok af. Der er også rigeligt med udfordringer for at få energiforsyningen gjort klimaneutral. Mon det vil lykkes?

”Ja, jeg tror på, at det kan lykkes. Jeg er meget optimistisk.”