Porösa kolelektroder lovar gott för miljön

Nya högeffektiva elektroder av porösa kolmembran kan få viktiga tillämpningar inom miljö- och energiområdet. Jiayin Yuan skräddarsyr bland annat kolelektroder som kan användas för att omvandla koldioxid till kemikalier.

Jiayin Yuan

Docent i materialkemi

Wallenberg Academy Fellow 2017

Lärosäte:
Stockholms universitet

Forskningsområde:
Nanoporösa kolmembran för miljö- och energitillämpningar

Jiayin Yuan visar sitt nya labb, med fönster mot en lummig innergård. Här utvecklar han små porösa kolmembran som kan få stor nytta i framtiden.

– Klimatförändringarna kräver satsningar på hållbar utveckling och det involverar många forskningsfält. I vårt fall handlar det om att utveckla en ny generation elektrokemiska katalysatorer. De bygger på väldigt unika porösa kolstrukturer.

Poröst, aktivt kol används sedan länge inom bland annat vattenrening och medicin. De porösa kolmembran som Jiayin Yuan forskar på är uppbyggda av tätt ihopkopplade porer i nanostorlek. Ytan i materialets porer blir, även om materialet i sig är litet, sammanlagt väldigt stor, som en fotbollsplan säger han. Nanoporösa kolmembran kan bland annat användas som elektroder, elektriska ledare och vid elektrodialys.

– De är metallfria vilket medför att de inte kommer få problem med läckage av farliga metaller, och betydligt billigare att tillverka i storskalig produktion.

Makroskopiska kolmembran

Designen är mycket viktig för att få kolmembranelektroden tillräckligt effektiva, förklarar Jiayin Yuan. Den sort han förfinar i sitt nya labb kallas porös heterodopad gradientkolmembran. Den har två betydande fördelar.

– En är membranformen, vilket betyder att vi inte behöver några bindemedel som håller ihop kolelektroden. Den andra fördelen är att strukturen är en mycket bra plattform för olika funktioner. Vi kan till exempel åstadkomma väldigt hög konduktivitet, ledningsförmåga.

Tillsammans med forskarkollegor har Jiayin Yuan i flera vetenskapliga publikationer demonstrerat att den här nanoporösa kolmembranelektroden, i jämförelse till traditionella kolpulverelektroder, har mycket högre effektivitet vid produktion av energi och vid energiomvandling.

– Ett exempel som vi visat nyligen handlar om att reducera koldioxid, att elektrokemiskt ta hand om koldioxid och omvandla det till något användbart.

Optimerar designen

Forskaryrket lockade tidigt, berättar Jiayin Yuan, som fick sin grundutbildning i kemiteknik i hemlandet Kina.

– Det är mitt drömjobb. Jag gillar att forska, men också hur arbetet är organiserat. Du kan inte göra allt i ditt eget labb, det är i princip omöjligt idag. Vi behöver samarbeta och utbyta kunskap med andra och ha en bred internationell plattform.

Närmast kommer han från Clarkson University i New York. Innan dess bodde han i Tyskland, där han tog sin doktorsexamen, startade sin forskarkarriär och blev gruppledare vid Max Planck Institute of Colloids and Interfaces i Potsdam.

På Stockholms universitet är Jiayin Yuans mål nu att bygga upp sin forskargrupp och att förstå vilka grundläggande mekanismer som driver den elektrokemiska processen i de porösa kolelektroderna.

”Att få den är sortens stöd är viktigt speciellt för unga forskare, och för grundforskningen. Anslaget gör det möjligt att sätta långsiktiga forskningsmål.”

– Vi vill producera elektroder med så hög effektivitet som möjligt för ett par elektrokemiska processer. Koldioxidminskning är en av dem. Vi arbetar också med en process för jonseparation, som är lika viktig. Membran som kan dra nytta av en saltgradient i vatten, exempelvis där flodvatten möter havsvatten, kan användas för att framställa energi.

Jiayin Yuan hoppas att hans forskargrupp om fem år, i slutet av projektet han driver som Wallenberg Academy Fellow, kan pusha koldioxidreduktion till en nivå som gör tekniken attraktiv för industriell produktion.

– Det coola är att den kan kombineras med förnybar energi. Vindkraft är svår att lagra. Men genom att kombinera teknikerna kan vi få flytande former av energi som kan transporteras och användas när som helst. Turbinen omvandlar vind till elektricitet, den elektrokemiska processen använder elektriciteten och omvandlar koldioxid till exempelvis myrsyra eller metanol.

Helhet och kostnad

Effektiviteten i kolmembranen höjs genom att ge porerna mer precisa strukturer och funktioner med hjälp av heteroatomer som kväve, svavel och bor.

– Det mesta av materialen vi använder är syntetiserade, tillverkade, i det här labbet. Vi använder främst råmaterial från kemikalieföretag, men har planer på att studera biomassa som startmaterial i framtiden.

I labbet testas och analyseras koldioxidreduktion i olika elektrokemiska försök. Jiayin Yuan tillbringar många timmar framför datorn i jakt på den optimala processen.

– Utmaningen är att få ihop de faktorer vi känner till, till en helhet. Det är en sak att kontrollera en parameter, men att kontrollera flera samtidigt är mycket svårt. Det är ett väldigt komplext system och vi måste hela tiden kompromissa på olika sätt.

En annan viktig fråga är materialkostnaden.

– När vi väl förstår de grundläggande mekanismerna närmar vi oss applikationsdelen. Men om råmaterialet blir för dyrt kommer tekniken inte kunna skapa verkliga förändringar i samhället. Drömmen är förstås att de porösa kolmembranelektroder vi tillverkar en dag ska finnas på marknaden. Att de kan möjliggöra energieffektiva och miljövänliga lösningar.

Text Susanne Rosén
Bild Magnus Bergström