Forskarna arbetar med reaktorn där kubiskt kiselkarbid framställs. Foto Thor BalkhedVäxter omvandlar koldioxid och vatten till syre och energirika sockerarter, som de använder som ”bränsle” när de växer. Energin får de från solljuset. Jianwu Sun och hans kollegor vid Linköpings universitet vill efterlikna växternas fotosyntes för att fånga koldioxid från luften och omvandla det till kemiskt bränsle, som metan, etanol och metanol. Metoden befinner sig på grundforskningsnivå i dag, och forskarnas långsiktiga mål är att på ett effektivt sätt kunna omvandla solenergi till bränsle.
Jianwu Sun Foto Thor Balkhed
– Genom att omvandla koldioxid till bränsle med hjälp av solenergi skulle den här tekniken kunna bidra till utveckling av förnybar energi och mildra klimatförändringar som drivs av förbränning av fossila bränslen, säger Jianwu Sun, universitetslektor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi, IFM, vid Linköpings universitet.
Grafen är ett av de tunnaste materialen som existerar. Det består av ett enda lager av kolatomer, och är elastiskt, böjligt, genomsläppligt för solljus och leder elektricitet bra. Denna kombination av egenskaper bidrar till grafens potential för användning inom bland annat elektronik och biomedicinska tillämpningar. Men grafen i sig självt är inte tillräckligt för omvandlingen av solenergi som LiU-forskarna vill utveckla, så de kombinerar grafen med halvledarmaterialet kubiskt kiselkarbid (3C-SiC). Forskare vid Linköpings universitet har tidigare utvecklat en världsledande metod för att växa grafen på kubiskt kiselkarbid, som består av kol och kisel. När kiselkarbid hettas upp förångas kisel, medan kolatomerna blir kvar och omformas till ett lager grafen. Forskarna har tidigare visat hur det är möjligt att bygga upp till fyra lager grafen ovanpå varandra på ett kontrollerat sätt.Kubiskt kiselkarbid i vatten. Foto Thor Balkhed
Forskarna har kombinerat grafen och kubiskt kiselkarbid för att utveckla en grafenbaserad fotoelektrod, som tar tillvara förmågan hos kubisk kiselkarbid att fånga upp energin i solljus och skapa laddningsbärare. Grafenets roll är att fungera som ett genomskinligt lager som är elektriskt ledande och samtidigt skyddar kiselkarbiden.
Egenskaperna hos grafenbaserad teknologi styrs av flera aspekter, där en viktig faktor är kvaliteten på gränssnittet där grafen och halvledarmaterial möts. Forskarna har undersökt egenskaperna hos detta gränssnitt närmare. I den aktuella studien, som publiceras i ACS Nano, visar forskarna hur de kan skräddarsy grafenlagren på kiselkarbid och kontrollera egenskaperna hos den grafenbaserade fotoelektroden. På så sätt blir omvandlingen av koldioxid mer effektiv, samtidigt som komponenten blir mer stabil.
Forskarnas fotoelektrod kan kombineras med katoder av olika metaller, som koppar, zink eller vismut. Olika kemiska ämnen, som metan, kolmonoxid och myrsyra, kan bildas av koldioxid och vatten beroende på vilken katod forskarna använder.
– Framför allt visar vi att vi med hjälp av solenergi kan styra omvandlingen av koldioxid till metan, kolmonoxid eller myrsyra, säger Jianwu Sun.
Metangas används som bränsle i fordon anpassade för gasbränsle. Kolmonoxid och myrsyra skulle antingen kunna omvandlas vidare så att de kan fungera som bränsle, eller användas inom industrin.
Forskningen har finansierats med stöd av bland annat Vetenskapsrådet, FORMAS och Stiftelsen för internationalisering av högre utbildning och forskning, STINT.
Artikeln: ”Atomic-Scale Tuning of Graphene/Cubic SiC Schottky Junction for Stable Low-Bias Photoelectrochemical Solar-to-Fuel Conversion”, Hao Li, Yuchen Shi, Huan Shang, Weimin Wang, Jun Lu, Alexei A. Zakharov, Lars Hultman, Roger I. G. Uhrberg, Mikael Syväjärvi, Rositsa Yakimova, Lizhi Zhang och Jianwu Sun, ACS Nano 2020 14 (4), 4905-4915, publicerad online 3 april 2020, DOI: 10.1021/acsnano.0c00986
