Tema

Smart grafenbygge kan leda till förnybart bränsle

Forskare har hittat ett nytt sätt att tillverka materialet grafen i flera lager. Med hjälp av solljus – och grafen på kubisk kiselkarbid – skulle man kunna omvandla vatten och koldioxid till förnybart bränsle. Forskarna visar också att grafen har supraledande egenskaper under vissa förhållanden.

Kol, syre och väte. Det är de tre grundämnena som du skulle få om du plockade isär koldioxid- och vattenmolekyler. Samma atomer är byggstenarna i kemiska föreningar som vi använder som bränsle, som etanol och metangas. Om det vore möjligt att omvandla koldioxid och vatten till förnyelsebart bränsle, skulle det kunna bli ett alternativ till att använda fossil olja och kunna bidra till att minska våra koldioxidutsläpp till atmosfären.

Jianwu Sun, docent vid Linköpings universitet, forskar kring ett sätt att göra just detta.

Det första steget är att forskarna måste utveckla materialet som de har tänkt att använda sig av. Forskare vid Linköpings universitet (LiU) har tidigare utvecklat en världsledande metod för att framställa kubisk kiselkarbid, som består av kisel och kol. Den kubiska formen har förmågan att fånga upp solenergin och skapa laddningsbärare.

Ämne med unika egenskaper
Men det räcker inte ända fram. Grafen, ett av de tunnaste materialen som någonsin framställts, har nu huvudrollen i projektet. Materialet består av ett enda lager kolatomer som binder till varandra i ett sexkantigt hönsnätsmönster. Grafen har stor förmåga att leda elektrisk ström, en egenskap som kan komma till användning för att omvandla solenergi. Det har också flera unika egenskaper och världen över pågår mycket forskning kring möjliga tillämpningar av grafen.

De senaste åren har forskarna strävat efter att utveckla processen att växa grafen på en yta för att kunna styra egenskaperna hos grafenet. I en nyligen publicerad artikel i tidskriften Carbon beskrivs ett av de senaste framstegen.

– Det är relativt lätt att växa ett lager grafen på kubisk kiselkarbid. Men om du vill växa grafen i flera jämna lager på varandra över en större yta är det en större utmaning. Nu visar vi hur det är möjligt att växa upp till fyra jämna lager grafen ovanpå varandra på ett kontrollerat sätt, säger Jianwu Sun vid Institutionen för fysik, kemi och biologi (IFM).

Tillverka jämnare lager
En av svårigheterna med flerlagergrafen är att ytan blir ojämn på grund av att det blir olika många lager på olika ställen. Kanten där ett lager tar slut blir som ett litet trappsteg i nanoskala. För forskarna, som vill ha stora och jämna ytor, kan de här stegen utgöra ett hinder. Särskilt bekymmersamt blir det när trappstegen buntar ihop sig på samma plats, likt en felbyggd trappa där flera trappsteg slagits ihop till ett alltför högt steg. Nu har forskarna hittat ett sätt att få bort fenomenet med hopbuntade trappsteg genom att växa grafen under noga anpassad temperatur och tid. Dessutom visar LiU-forskarna att tillvägagångssättet gör det möjligt att styra hur många lager grafen som bildas. Det är det första steget i forskningsprojektet som siktar på att göra bränsle från vatten och koldioxid.

I en närbesläktad vetenskaplig artikel, som publiceras i tidskriften Nano Letters, har forskare undersökt de elektroniska egenskaperna hos flerlagergrafen växt på kubisk kiselkarbid.

Kan användas som supraledare
– Vi fann att flerlagergrafen har väldigt lovande elektriska egenskaper, som gör att materialet kan användas som supraledare, med noll resistans. Den här speciella egenskapen uppstår enbart när grafenlagren är ordnade på ett särskilt sätt gentemot varandra, säger Jianwu Sun.

I tidigare forskning har teoretiska beräkningar förutspått att dessa egenskaper skulle kunna uppstå när grafenlagren är ordnade på ett särskilt vis. Den aktuella studien är den första som demonstrerar experimentellt att det faktiskt blir så. Supraledande material används bland annat i supraledande magneter, som är mycket starka och används i magnetkameror för medicinska undersökningar och partikelacceleratorer för forskningsändamål. Många hoppas att supraledare ska kunna användas för elledningar helt utan energiförluster eller svävande höghastighetståg på magnetfält, bland mycket annat. Användningen begränsas i dag av att de supraledare som finns inte fungerar vid rumstemperatur, utan bara vid extremt låga temperaturer.

Fotnot:
Studierna har gjorts tillsammans med forskare vid MAX IV-laboratoriet i Lund och finansierats med stöd av Vetenskapsrådet, FORMAS, STINT, ÅForsk stiftelsen och Stiftelsen Olle Engkvist Byggmästare.

Kontakt:
Jianwu Sun, docent vid Institutionen för fysik, kemi och biologi (IFM), Linköpings universitet, jianwu.sun@liu.se, 013-28 27 03

Artiklarna:
Elimination of step bunching in the growth of large-area monolayer and multilayer graphene on off-axis 3C–SiC (111), Yuchen Shi, Alexei A. Zakharov, Ivan G.Ivanov, G. Reza Yazdi, Valdas Jokubavicius, Mikael Syväjärvi, Rositsa Yakimova och Jianwu Sun, (2018). Carbon, 140, 533-542

Flat-Band Electronic Structure and Interlayer Spacing Influence in Rhombohedral Four-Layer Graphene, Weimin Wang, Yuchen Shi, Alexei A. Zakharov, Mikael Syväjärvi, Rositsa Yakimova, Roger I. G. Uhrberg och Jianwu Sun, (2018), Nano Lett. 18 (9) 5862-5866

Läs också

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Smart grafenbygge kan leda till förnybart bränsle

 lästid ~ 4 min