'Kritische grondstoffen' zijn van cruciaal belang voor veel Europese industrieën, maar ze zijn kwetsbaar voor schaarste en verstoring van het aanbod. Als zodanig, het is van vitaal belang dat Europa strategieën ontwikkelt om aan de vraag naar grondstoffen te voldoen. Zo'n strategie is het vinden van methoden of stoffen die de grondstoffen die we nu gebruiken kunnen vervangen. Met dit in gedachten, vier EU-projecten die werken aan substitutie in katalyse, elektronica en fotonica presenteerden hun werk tijdens de Third Innovation Network Workshop over substitutie van kritieke grondstoffen die eerder deze maand werd georganiseerd door het CRM_INNONET-project in Brussel.

NOVACAM

NOVACAM, een gecoördineerd Japan-EU-project, heeft tot doel katalysatoren te ontwikkelen met behulp van niet-kritieke elementen die zijn ontworpen om het potentieel van biomassa te ontsluiten tot een levensvatbare energie- en chemische grondstof.

Het project maakt gebruik van een 'catalyst by design'-benadering voor de ontwikkeling van katalysatoren van de volgende generatie (anorganische katalysatoren op nanoschaal), zoals NOVACAM projectcoördinator prof.dr. Emiel Hensen van de Technische Universiteit Eindhoven uitlegt. Gelanceerd in september 2013 het project ontwikkelt katalysatoren waarin niet-kritieke metalen zijn verwerkt om de omzetting van lignocellulose in industriële chemische grondstoffen en biobrandstoffen te katalyseren. Het eerste deel van het project was om het principe van de chemie te ontwikkelen, terwijl het tweede deel het aantonen van procesbewijzen was. Prof. Hensen voorspelt dat misschien slechts twee van de drie concepten deze fase zullen overleven.

Het project heeft al aanzienlijke vooruitgang geboekt bij de omzetting van glucose en ethanol, volgens prof. Hensen, en heeft een aantal belangrijke wetenschappelijke publicaties voortgebracht. Het consortium werkt samen met een industriële adviesraad bestaande uit Shell in de EU en Nippon Shokubai in Japan.

FREECATS

Het FREECATS-project, gepresenteerd door projectcoördinator Prof. Magnus Rønning van de Noorse Universiteit voor Wetenschap en Technologie, heeft de afgelopen drie jaar gewerkt aan de ontwikkeling van nieuwe metaalvrije katalysatoren. Deze zouden ofwel in de vorm van bulk nanomaterialen of in hiërarchisch georganiseerde structuren zijn - die beide in staat zouden zijn om traditionele katalysatoren op basis van edelmetalen te vervangen bij katalytische transformaties van strategisch belang.

Prof. Magnus Rønning legde uit dat de toepassing van de nieuwe materialen het gebruik van platinagroepmetalen (PGM) en zeldzame aardmetalen zou kunnen elimineren - in beide gevallen is Europa voor deze materialen erg afhankelijk van andere landen. In de loop van zijn onderzoek, FREECATS richtte zich in het bijzonder op drie gebieden:brandstofcellen, de productie van lichte olefinen en water- en afvalwaterzuivering.

Door te werken aan het vervangen van het platina in brandstofcellen, het project ondersteunt de doelstelling van de EU om de verbrandingsmotor tegen 2050 te vervangen. zoals prof. Rønning opmerkte, terwijl platina is geoptimaliseerd voor gebruik gedurende meerdere decennia, de materialen die FREECATS gebruikt zijn nieuw en komen dus met hun nieuwe uitdagingen die het project aanpakt.

HARFIR

Prof. Atsufumi Hirohata van de Universiteit van York in het Verenigd Koninkrijk, projectcoördinator van HARFIR, beschreef hoe het project een antiferromagnetische legering wil ontdekken die het zeldzame metaal Iridium niet bevat. Iridium wordt steeds meer en meer gebruikt in tal van elektronische opslagapparaten, inclusief leeskoppen in harde schijven. De wereldvoorraad is afhankelijk van platinaerts dat voornamelijk uit Zuid-Afrika komt. De situatie is veel slechter dan voor andere zeldzame aardelementen, aangezien de prijs de afgelopen jaren is gestegen, volgens prof. Hirohata.

Het HARFIR-team, verdeeld tussen Europa en Japan, heeft tot doel Iridium legeringen te vervangen door Heusler legeringen. Het EU-team, onder leiding van prof. Hirohata, heeft gewerkt aan de bereiding van polykristallijne en epitaxiale dunne films van Heusler-legeringen, met het materiaalontwerp geleid door theoretische berekeningen. Het Japanse team, onder leiding van Prof. Koki Takanashi aan de Tohoku University, werkt ondertussen aan de voorbereiding van epitaxiale dunne films, metingen van fundamentele eigenschappen en structurele/magnetische karakterisering door neutronen- en synchrotron-röntgenstralen.

Een van de grootste uitdagingen was dat Heusler-legeringen een relatief gecompliceerde atomaire structuur hebben. Wat het werk van HARFIR betreft, als er sprake is van atomaire wanorde aan de rand van nanopillar-apparaten, de benodigde magnetische eigenschappen gaan verloren. Het team zoekt naar oplossingen voor deze uitdaging.

IRENA

Prof. van Esko Kauppinen Aalto University in Finland sloot de eerste sessie van de ochtend af met zijn presentatie van het IRENA-project. Gelanceerd in september 2013 het project loopt tot medio 2017 en streeft naar de ontwikkeling van hoogwaardige materialen, specifiek metalen en halfgeleidende enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT) dunne films om het gebruik van de kritische metalen in elektronenapparaten volledig te elimineren. Het uiteindelijke doel is om Indium te vervangen in transparante geleidende films, en Indium en Gallium als halfgeleider in dunne film veldeffecttransistoren (TFT's).

Het IRENA-team ontwikkelt een alternatief dat flexibel is, transparant en rekbaar zodat het kan voldoen aan de eisen van de elektronica van de toekomst – inclusief de mogelijkheid om elektronica te printen.

Bij IRENA zijn drie partners uit Europa en drie uit Japan betrokken. Het team heeft expertise in de synthese van nanobuisjes, productie van dunne films en productie van flexibele apparaten, modellering van nanobuisjesgroei en dunne-film ladingstransportprocessen, en het project heeft geprofiteerd van uitwisselingen van teamleden tussen instellingen. Een van de belangrijkste resultaten tot nu toe is dat het project erin is geslaagd om voor het eerst een dunne nanobuisfilm te gebruiken als zowel de elektrode als de gatenblokkerende laag in een organische zonnecel.