Genom grundvetenskapligt molekylbygge skapar forskare i Lund och Uppsala något som rätt snart kan bli väldigt användbart. Manipulerade järnmolekyler ska bli grunden för billiga solceller, hållbar vätgasproduktion och effektivare katalysatorer.
Projektanslag 2019
Photofunctional Iron Complexes
Huvudsökande:
Professor Kenneth Wärnmark
Medsökande:
Uppsala universitet
Reiner Lomoth
Lunds universitet
Petter Persson
Reine Wallenberg
Arkady Yartsev
Lärosäte:
Lunds universitet
Beviljat anslag:
35 miljoner kronor under fem år
Professor Kenneth Wärnmark brukar skämtsamt kalla det han gör för ”modern alkemi”. Gamla tiders alkemister försökte göra guld av andra grundämnen. I ett projekt med stöd av Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse skapar Kenneth Wärnmark och hans kollegor något mindre glänsande – men väldigt värdefullt: järn som kan ge billigare och mer miljövänlig energi.
De ohållbara energislag som dominerar i dag måste fort ersättas, till exempel med solenergi som vi har obegränsad tillgång till. Med solceller kan den omvandlas till elektricitet, och energimängden skulle enkelt räcka till att täcka hela världens behov. Materialen i solcellerna sätter dock gränser. I dag dominerar kiselbaserade solceller, med så kallade färgämnesbaserade solceller som en snabbt växande utmanare. Båda sorterna har utmaningar. Kisel behöver renas i en dyr och energikrävande process, och färgämnet i de nya cellerna är i allmänhet sällsynta grundämnen, till exempel rutenium. Nu arbetar Kenneth Wärnmark och hans medarbetare i Lund och Uppsala med att bygga om järnmolekyler för att de ska kunna ta ruteniums plats i solcellerna.
– Rutenium är en ovanlig och dyr metall medan järn är det näst vanligaste tunga ämnet i jordskorpan. De ingår i samma grupp i periodiska systemet och har vissa egenskaper gemensamt, men järn kan i sitt grundtillstånd inte användas i en solcell. Det har vi hittat en lösning på, säger Kenneth Wärnmark.
Lösningen är att få järnet att binda till sig andra ämnen, så kallade elektron-donerande ligander. Det komplex som bildas kan få elektroner som beter sig på precis rätt sätt för en solcell. De måste kunna exciteras – alltså få högre energi – av solljuset, och bli kvar på denna högre energinivå tillräckligt länge för att komplexet ska ge ifrån sig en elektron till ett halvledarmaterial i solcellen så att elektrisk ström uppstår.
Solceller inomhus ett första steg
De färgämnesbaserade solcellerna är mindre effektiva än kiselceller. Med järn istället för rutenium sjunker effektiviteten ännu mer, men nyligen lyckades forskarna åstadkomma en procents effektivitet och de räknar med att komma upp i fem procent inom några år. Det räcker för att ämnet ska bli kommersiellt gångbart. Till att börja med siktar man mot små solceller för inomhusbruk.
– När vi först började drömde jag så storskaligt, om att åka till LKAB och säga ”nu ska ni inte producera stål av ert järn utan solceller!”. Men som tur är har vi en kommersiell och teknisk referensgrupp som hjälpte oss förstå var vi borde börja.
Den nya tekniken passar ännu bättre i inomhusceller, som tar upp ströljus från både fönster och lampor. De cellerna ska kunna driva sensorer och mindre elektriska enheter som mobiltelefoner och i praktiken ersätta batterier. Även här räknar man med materialbrist framöver när allt fler föremål blir uppkopplade och elektrifierade. Kenneth Wärnmark beskriver det som en mellanlandning innan forskningen går vidare mot de mer storskaliga solcellerna för utomhusbruk.
Miljövänlig vätgasproduktion krävs i framtiden
Ett annat forskningsspår är vätgastillverkning. Vätgas beskrivs ofta som framtidens miljövänliga energikälla eftersom den enda restprodukten vid förbränningen är vatten. LKAB planerar en storsatsning på vätgas till sina masugnar, och EU-kommissionen har lanserat en vätgasstrategi med planerade investeringar på flera tusen miljarder kronor. Det som saknas nu är klimatvänliga tillverkningstekniker. Dagens vätgasproduktion ger koldioxidutsläpp på hundra miljoner ton om året, bara i EU.
– 98 procent av alla vätgas framställs med hjälp av fossila bränslen och det måste vi göra något åt. Vi arbetar med nya järnkomplex som katalyserar själva reduktionen från vatten och solljus till vätgas. Vi har byggt en prototyp till en vätgaskatalysator och står i startgroparna för att börja använda den.
Järnkomplexen kan också katalysera reaktioner vid tillverkning av så kallade finkemikalier, exempelvis läkemedelssubstanser, och verkar i vissa lägen mer effektiva än dagens katalysatorer. Kenneth Wärnmark konstaterar att projektet har tagit flera olika inriktningar som han inte förutsåg från början.
– Med en så stor forskargrupp som vi har ökar sannolikheten för att det dyker upp saker man inte hade väntat sig. Det är jätteintressant.
Projektet innefattar forskare med ett antal olika kompetenser, alltifrån den grundvetenskapliga designen och syntesen av de nya liganderna till expertis inom fotofysik, elektrokemi och solcellsteknik. Just nu ligger mycket fokus på att ta fram fler ligander för att skapa nya färgämnen, och lista ut vilka som har störst potential.
– Det är komplicerad kemi. Än så länge är det bara i labbskala och vi tar till alla konster vi kan. Men när vi funnit en verkligt stor hit så tror jag att vi med det processkunnande som finns i Sverige ska kunna framställa komplexen effektivt och storskaligt. Inom fem år så tror jag att det här projektet har fått fram en tidig version av vätgaskatalysator. Och definitivt en prototyp av inomhussolcellerna.
Text Lisa Kirsebom
Bild Kennet Rouma, Linnea Lindh, Pavel Chábera, Nils W. Rosemann, Johan Joelsson
