En skuffelse endte som et gennembrud

På bunden af en lille cylinder­formet glasbeholder ligger nogle få milli­gram brunligt pulver. Det ser ikke ud af meget, men det er et stof, der kan bruges som katalysator til vandrensning.

Det er kemiprofessor Christine McKenzie, som holder det i hånden på sit laboratorium, hvor hun har et lille forskerhold. Hun og holdet faldt nærmest over katalysatoren, da de var i gang med at skabe et jernbaseret molekyle, som de håbede ville fungere som katalysator for en mere miljøvenlig opbygning af organiske forbindelser i den farmaceutiske og kemiske industri.

Holdet har især fokus på oxidering, som kan være svær at kontrollere. Den nye katalysator skulle bruges til at forbedre kemiske transformeringer og dermed undgå udskylning af giftige biprodukter, som ofte er forbundet med oxideringsreaktioner. Men resultater viste, at selv om den fungerede som katalysator, var den ikke selektiv nok til formålet.

Katalysator kan ­angribe giftstoffer i vand
“Min umiddelbare reaktion var skuffelse. Men fem minutter senere tænkte jeg: Jamen, hvis katalysatoren er generel, så kan den angribe alt, fx organiske molekyler i vand såsom sprøjtegift fra landbruget”, ­siger Christine McKenzie, som forsker i koordinationskemi på Institut for ­Fysik, Kemi og Farmaci på Syddansk Universitet i Odense.

Det betyder, at hun og hendes hold undersøger kemien i overgangsmetaller – især i de overgangsmetaller, som man finder i enzymer i den biologiske verden, fx jern, kobolt, mangan og nikkel. Med udgangspunkt i de naturlige enzymer, som fungerer som katalysatorer for biologiske processer, designer og fremstiller forskerne en slags “kunstige enzymer”.

Enzymer og katalysatorer bruges i fremstillingen af mange materialer, kemikalier og fødevarer og tilsættes ofte produkter, som vi bruger i hverdagen, fx vaskepulver, hvor de sørger for, at tøjet bliver rent ved 30 °C i stedet for ved 60 °C, og i vores krop er de naturlige enzymer helt nødvendige for de kemiske reaktioner, fx opbygning af celler og næringsstoffer.

En forskningsmæssig jackpot
Efter at have testet den nye katalysator på en gruppe organiske stoffer i vand vidste Christine McKenzie, at de havde ramt the sweetspot. ­Noget helt unikt. En katalysator baseret på jern, som kan nedbryde organiske stoffer i vand, når den udsættes for strøm.

“Det er en meget lovende elektrokatalytisk metode”, siger Christine McKenzie, som mener, at det enestående ved den nye opfindelse er, at den kun nedbryder de organiske stoffer uden samtidig at bruge unødvendig energi på at oxidere vandet.

Desuden er det en stor fordel, at katalysatoren er baseret på jern, som er et billigt og lettilgængeligt metal i forhold til eksempelvis katalysatorer, der renser udstødningen fra biler, som er baseret på platin, hvilket kun findes i en begrænset mængde.

Metoden er beskrevet i det videnskabelige tidsskrift Inorganic Chemistry.

“Ingen har fundet sådan en elektrokatalysator før, så det har krævet en del arbejde at bevise det. Det er ikke bare en modifikation af et kendt system. Artiklen blev så godt mod­taget af peer review-bedømmerne, at vi fik forsiden”, fortæller Christine McKenzie.

Stort potentiale
Christine McKenzie mener, at der er et stort potentiale i katalysatoren. Grundvandsbrøndene er sårbare over for forurening, og fx fandt GEUS – De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland – i foråret 2018 for høje grænseværdier for ukrudtsmidlet chlori­dazon i hver tiende af de under­søgte boringer.

“Vi har nogle organiske stoffer i vores grundvand, som er svære at komme af med, og pesticidforurening kan man fx ikke koge sig ud af. Derfor er det vigtigt, at elektrokatalysatoren kan ødelægge forurenende stoffer i vandet”, siger hun og understreger, at hendes fund skal efterprøves og afprøves i storskala, inden man kan være helt sikker på, at det kan rense grundvandet.

“Jeg kunne godt slå ud med armene. Men som i al anden grundforskning skal vi lave flere undersøgelser for at efterprøve, om vores første resultater holder vand”, siger Christine McKenzie og forklarer, at hendes hold blandt andet skal teste på langt flere organiske stoffer og ikke mindst lave den homogene katalysator om til en heterogen katalysator.

“Den homogene katalysator vil sandsynligvis blive skyllet ud med det vand, der løber igennem rensningsanlægget, mens en beslægtet heterogen katalysator derimod vil binde sig til overfladen af elektroden og derfor blive i vandet”, forklarer hun.

Forskerholdet har skabt et nyt stof
Forskerholdet er finansieret af en bevilling fra Danmarks Frie Forskningsfond til et forskningsprojekt om grønnere oxidationsreaktioner, og bevillingen skal blandt andet gå til at finde frem til grønnere metoder til at oxidere organiske molekyler. Nuværende metoder er kendt for at producere mange uønskede biprodukter i industrien.

Forskerholdet har skabt et nyt stof, som kan suge ­store mængder ilt til sig og holde på den. Den centrale komponent i det nye stof er kobolt, som er bundet i et specialdesignet molekyle, der gør det i stand til at optage ilt fra omgivelserne.

“Det er ikke nogen overraskelse i sig selv, at stoffer baseret på overgangsmetaller kan optage ilt. Det overraskende er, at stoffet kan holde på ilten og frigive den igen, uden at ilten ændrer sig, eller at vores ­faste stof udskifter sin krystallinske ­faste form”, siger Christine McKenzie og forklarer, at metoden fungerer på samme måde som hæmoglobin i blodet, der binder ilt og transporterer den rundt i kroppen og frigiver den igen uden at omdanne ilten.

Det helt særlige ved det nye stof er, at det ikke reagerer irreversibelt med ilten. Det er ellers det, der plejer at ske, når ilt kommer i forbindelse med masser af andre stoffer. Det er det, vi ser dagligt, når maden bliver harsk, eller når rødvinen bliver sur efter at have stået uden prop for længe. Og det er også årsagen til, at vi ældes.

“Men det nye stof opfører sig ligesom hæmoglobinet. Det optager ilten og frigiver den igen senere, så det er en slags sensor og iltbeholder, som vi fx kunne bruge til at udvikle en ny type membran til at koncentrere ilt direkte fra luften”, siger Christine McKenzie og forklarer, at flere stoffer inden for syntetisk koordinationskemi kan det samme som hæmoglobin og andre metalloenzymer.

“Men typisk, ligesom hæmoglobin, er stofferne i opløsning, når ­ilten frigives, mens vi kunne få den ud i fast form. Vi har altså en praktisk, solid ting, som skifter farve, når den optager ilt fra luften, og frigiver ilten igen, når den bliver opvarmet. Det er det nye, og det åbner op for nogle ret store perspektiver”, ­siger hun.

Drømmen er at ­omdanne CO2 til brændstof
Opdagelsen med at indfange ilt i fast form har inspireret holdet til at kigge på, om det er muligt at skabe katalytiske reaktioner, der kan omdanne andre gasarter i designede faste stoffer. Her skeler de også til biologien, som er uovertruffen til at omdanne gasarter. Fx kvælstof til ammoniak og vand til ilt og metan til metanol.

“Det ultimative ville være at finde et stof, der kan binde kuldioxid (CO2) og omdanne det til et brændstof”, ­siger Christine McKenzie og understreger dermed, at selv om hun er grundforsker, har hun altid et formål med forskningen og nogle visioner for, hvad man kan bruge den til, hvis det lykkes”.

Og det ved hun ikke endnu, for lige­som med vandrensningskatalysatoren skal de øvrige opfindelser også udvikles og testes, inden de kan vise, om de lever op til forventningerne. Og det kan tage flere år.