Vatten blir vätgas med nanofackverk i järn

Svenska forskare har hittat ett nytt och effektivt sätt att omvandla el till vätgas med hjälp av katalys. Istället för de dyra och sällsynta platinaelektroderna används elektroder av nanosmå fackverkskonstruktioner i järnoxid. Forskningen leds av professor Ulf Helmersson.

Sebastian Ekeroth och Ulf HelmerssonSebastian Ekeroth, doktorand och professor Ulf Helmersson Foto: Thor BalkhedForskargruppen inom plasma- och ytbeläggningsfysik vid Linköpings universitet framställer tunnfilmer av nanomaterial. Tekniken de använder kallas pulserande plasma-sputtring. Sputtring är en vanligt använd beläggningsmetod, även i industrin. På ett substrat i en kammare sputtras, spottas, atomer ut i ett jämnt lager, med hjälp av en joniserad gas. LiU-forskare har utvecklat tekniken ytterligare och använder nu korta men högeffektiva pulser av ett plasma för att växa nanopartiklar av de sputtrade atomerna. Nanopartiklarna växer till, svävande i gasen.

Skräp i kammaren

Sebastian Ekeroth, doktorand i plasma- och ytbeläggningsfysik, fick dock ett experiment förstört av att det även byggdes upp material på helt fel ställe.

– Det såg ut att ligga skräp i kammaren. När jag tittade på ett prov i mikroskop visade det sig vara ett trassligt nystan av nanotrådar, berättar han.

Professor Ulf Helmersson insåg betydelsen och skräpfyndet blev starten på ett nytt forskningsfält kring ferromagnetiska nanostrukturer.

Världens forskare intresserar sig allt mer för ferromagnetiska nanopartiklar och hur man kan framställa dem, framför allt i olika typer av lösningar. De magnetiska materialen blir också allt intressantare för energilagring, framför allt för lagring av förnyelsebar energi, för katalys och för tillverkning av kemikalier.

Ferromagnetiska nanostrukturer

Nanostrukturerna täcker ytan på ett kiselsubstratNanostrukturerna täcker ytan på ett kiselsubstrat Foto: Robert Boyd och Thor BalkhedGruppen vid LiU har nu, i samarbete med forskare vid Umeå universitet, tagit fram en metod att styra tillverkningen av ferromagnetiska nanostrukturer med hjälp av sputtring med pulserande plasma. Resultatet har publicerats i ansedda tidskriften Nanoletters.

I det här fallet har Sebastian Ekeroth använt joniserad argongas som skickats in i en kammare där katoden består av järn och anoden av rostfritt stål. Järnatomer sputtras ut från katoden och bildar nanopartiklar, ca 20 nm stora. Ett pålagt magnetfält gör att järnpartiklarna som i sig är magnetiska, samlar ihop sig och bildar en stabil och väl definierad fackverksstuktur, såväl på papper som på en metallisk yta.

Hela strukturen, alla vinklar och vrår, beläggs också med ett 2 nm tunt lager av järnoxid när strukturen exponeras för luft.

Nanostrukturen i närbildNanostrukturen i närbild Foto: Robert Boyd och Thor Balkhed– Att järnpartiklarna jackar i varandra gör strukturen väldigt stabil. I en elektrolyt är det en bråkig miljö. Ska ledningsförmågan behållas hela vägen är det viktigt att strukturen inte bryts sönder säger Sebastian Ekeroth.

Metoden fungerar också bra på stora ytor.

– Metoden lämpar sig väl för tillämpningar där man behöver tredimensionellt material på stora ytor, säger Ulf Helmersson.

Vätgas av vatten

I artikeln i Nanoletters har forskarna använt en katod med nanostrukturer i järnoxid på ytan av ett ledande skikt karbonpapper för att sönderdela vatten till vätgas och syre, med gott resultat.

Det är en elektrod med många fördelar framför elektroder i dyr och sällsynt platina. Den har låg vikt, är böjlig, har en hög kapacitet och består enbart av miljövänliga och lättillgängliga ämnen, nämligen Fe, O och C - järn, syre och kol.

Vätgasen har ett högt energiinnehåll och när den kemiska energin i vätgasen omvandlas till elektrisk energi i en bränslecell blir restprodukten bara vatten. Intresset för bränsleceller ökar stadigt, framför allt av miljöskäl. Men faktum är att 96 procent av den vätgas som produceras i dag, kommer från icke förnybara källor. Jakten pågår därför att hitta mer miljövänliga sätt att ta fram vätgas. Vätgasen är också en tänkbar energibärare, ett möjligt sätt att lagra energi från exempelvis sol- och vindkraft.

– Att producera vätgas är en viktig tillämpning, men vi tänker oss även tillämpningar inom andra områden, som elektroder generellt, i batterier, i superkapacitanser och för fotokatalys, säger Ulf Helmersson.

Catalytic Nanotruss Structures Realized by Magnetic Self-Assembly in Pulsed Plasma, Sebastian Ekeroth, E. Peter Münger, Robert Boyd, Joakim Ekspong, Thomas Wågberg, Ludvig Edman, Nils Brenning och Ulf Helmersson, Nano Letters 2018,
DOI 10.1021/acs.nanolett.8b00718

Ulf Helmersson

Ulf Helmersson spanar in i kammaren där nanofackverken växer till. Thor Balkhed

Järnpartiklarna jackar i varandra, vilket ger en stabil struktur

Järnpartiklarna jackar i varandra och ger en stabil struktur. Thor Balkhed

Kontakt

Forskning 

Senaste nytt från LiU