Här ersätts bensin med bränsleceller av papper 

Projektanslag 2018

Hydrogen Peroxide, Fuel and Energy Technology for the Future

Huvudsökande:
Professor Magnus Berggren

Medsökande:
Linköpings universitet
Xavier Crispin
Thomas Ederth
Roger Gabrielsson
Eric Glowacki
Magnus Jonsson
Igor Zozoulenko

Lärosäte:
Linköpings universitet

Beviljat anslag:
27 200 000 kronor under fem år

Magnus Berggrens och hans kollegors vision är att framtidens fordon och samhälle ska drivas med hjälp av syre och vatten. I ett projekt vid Linköpings universitet kombineras kunskaperna hos tre forskargrupper för att göra väteperoxid till framtidens flytande bränsle. 

– Det bästa med vår idé är att slutprodukten blir syre och vattenånga, vilket skapar en mycket trevlig energicykel, säger Magnus Berggren, professor i organisk kemi, och föreståndare för Laboratoriet för organisk elektronik.   

Användes under förra århundradet

Tanken att använda väteperoxid som bränsle går att spåra tillbaka till 1900-talet. Men när den energitäta bensinen fick ett brett genomslag så seglade fossilbränslet snabbt förbi andra energibärare. 

– Vårt mål är att bidra till ett fossilfritt samhälle. Att direkt ersätta dem med elektricitet löser bara delvis problemet eftersom mycket el fortfarande produceras med hjälp av kol och olja. Därför behöver vi lyfta ut det fossila ur energicykeln, säger Magnus Berggren. 

I projektet ”Hydrogen Peroxide, Fuel and Energy Technology for the Future” får papper en dubbel användning både som bränslecell och elektrokatalysator för förbränning och produktion av väteperoxid. Det enda som tillförs i katalysen är syre, vatten och energi där energin till exempel kan komma från en solcell. 

Papper med nya funktioner

Forskningen vid Laboratoriet för organisk elektronik ligger i framkanten inom organisk elektronik. Här finns en rad exempel på lyckade projekt där inte minst papper använts för nya tillämpningar. 

I detta projekt beläggs cellulosafibrerna i pappret med ett elektriskt ledande material. Därefter tillsätts syre och vatten i rätt proportioner för att samverka med en katalysator som drivs antingen med elektricitet eller med ljus. 

Forskarna har två alternativ till katalysator: dels det elektriskt ledande plastmaterialet PEDOT som kräver elektricitet, dels organiska kristaller som med hjälp av ljus kan skapa foto-/elektrokatalytiska reaktioner. 

I båda fallen blir resultatet en produktion av väteperoxid. Men utmaningarna är flera. Visserligen bildar pappersfibrerna en tredimensionell struktur men det krävs stora ytor för att skapa en tillräckligt snabb elektrokatalys.

– Vi behöver skapa ett papper där cirka ett gram motsvarar en effektiv yta av ett hundra kvadratmeter. Detta ska vi göra genom att variera tätheten i pappret, men det blir en utmaning. 

Dessutom krävs att pappersmaterialet ges en tillräcklig ledningsförmåga och att flödet av vätska och gas blir högt nog. Den största begränsningen är hur mycket syre som går att lösa upp i vattnet, menar Magnus Berggren. 

– Vi kan teoretiskt räkna ut vad som är möjligt men det finns många parametrar som kan ge nya begränsningar. Men pusselbitarna finns där, frågan är om de passar ihop. 

Verkningsgrad på 100 procent

En av de viktigaste pusselbitarna är polymeren PEDOT som har en elektrokatalytisk verkningsgrad för produktion av H2O2 (väteperoxid) på närmare 100 procent. 

– Det ger oss en mycket bra grund att stå på, men sen kommer vi att se förluster i form av olika sidoreaktioner. Men som forskare har jag aldrig inlett en utveckling av en ny teknik med något som har en så hög verkningsgrad.

Samma process men omvänd kan sedan utnyttjas för att driva framtidens bilar som då tankas med väteperoxid. Här ger den omvända processen elektricitet och avgaserna blir syre och vatten. 

– Vår uppgift är att ta fram denna kunskap och så får andra sedan avgöra om det är realistiskt att utveckla till en storskalig teknologi. Men min magkänsla säger att detta kommer att fungera.

Denna bränslecellsteknik kan snabbt bli ett alternativ till annan batteriteknik, menar han.

– Vår uppfattning är att dagens batteriteknik inte är miljövänlig i stor skala. Det är dessutom jämförelsevis lättare att transportera vätska än att transportera elektricitet eller gas. Vi har redan en befintlig infrastruktur för att transportera olika vätskor i vårt samhälle. 

Långsiktiga anslag en språngbräda

Projektet hade inte varit möjligt utan tidigare forskning vid Laboratoriet för organisk elektronik, även den med stöd av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse. 

– Den tidigare finansieringen blev en språngbräda som har lett oss i en mängd olika inriktningar, allt från batteriteknik och membran till sensorer och nu bränsleceller. Vi kan inte vara annat än oerhört tacksamma för ett fortsatt stöd, säger Magnus Berggren. 

Förutom Magnus Berggren deltar Eric Glowackis forskargrupp med kompetens inom nanokristaller och elektrokatalytiska material, samt Xavier Crispins grupp som arbetar inom energimaterial. 

Ett långsiktigt mål är att forskningen leder till ett nytt avknoppningsföretag, menar Magnus Berggren. 

– Vi har en del tidigare erfarenhet av vilken forskning som bör knoppas av som företag och i detta fall så passar det väl. Detta är en helt ny produkt vilket gör den möjlig att utveckla gemensamt av olika industrier tillsammans, kanske i en gemensam insats från pappers-, olje- och fordonsindustrin. 

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Magnus Bergström