Materiaalwetenschapper Irem Tanyeli van energieonderzoeksinstituut DIFFER heeft ontdekt hoe je op een gecontroleerde manier nanostructuren kunt laten groeien op verschillende metalen, door de metalen te bombarderen met heliumdeeltjes. Dergelijke gecontroleerde nanostructuren bieden de mogelijkheid van geavanceerde elektroden die duurzame brandstof produceren met behulp van zonne-energie. Tanyeli en haar collega-onderzoekers van DIFFER, ITER en de Universiteit van Basel publiceerden hun resultaten in Nature's Wetenschappelijke rapporten op 28 april 2015.

Bellen blazen in metaal

In hun onderzoek stelden Tanyeli en haar collega's verschillende metalen oppervlakken bloot aan een hete, intense bundel geladen heliumgas (plasma) in DIFFER's plasma-experiment Magnum-PSI. Helium dringt gemakkelijk door in het metalen rooster waar het bellen vormt die het omringende metaal naar buiten duwen. Zo ontstaan ​​per metaal verschillende structuren van tientallen tot honderden nanometers groot. Door de verschillen te beschrijven, Tanyeli kon analyseren welke onderliggende processen de nanostructuren hebben gevormd, zoals de temperatuur en de structuur van het metalen rooster.

Dat heliumplasma een metaal kan doen exploderen in nanostructuren was eerder ontdekt toen onderzoekers wandmaterialen testten voor fusie-energiereactoren. Vervolgens ontdekten ze vreemde vormen op het metalen wandoppervlak. In een fusiereactor zijn deze nanostructuren ongewenst omdat ze de afvoer van warmte verminderen, maar in andere toepassingen zijn de nanostructuren erg handig, denkt medeonderzoeker en DIFFER-directeur Richard van de Sanden.

Fundamenteel inzicht

"Het onderzoek van Irem Tanyeli is belangrijk vanwege het fundamentele inzicht", zegt Van de Sanden. "Hoe groeien zulke nanostructuren op een oppervlak, welke processen daarbij een rol spelen, wat zijn de knelpunten, en hoe kun je het proces managen? Als je dat begrijpt, kun je op grote schaal geavanceerde materialen produceren die op bestelling eigenschappen kunnen krijgen." Dat heeft een breed scala aan toepassingen in duurzame energietechnologieën.

Zonlicht omzetten in waterstof

Tanyeli's nanostructuren zijn interessant voor katalysatortoepassingen zoals het gebruik van zonne-energie om waterstof uit water te maken. Algemeen verkrijgbare en goedkope materialen kunnen meestal niet concurreren met de efficiëntie van dure maar zeldzame recordhouders zoals platina. Maar met de juiste nanostructuren kunnen de goedkopere materialen toch concurrerend gemaakt worden.

Dat opent mogelijkheden voor grootschalige opslag en omzetting van duurzame energie in de vorm van chemische verbindingen:solar fuels. Dergelijke brandstoffen hebben geen netto CO ₂ -emissie en bieden dus kansen voor de transportsector. Zonnebrandstoffen worden gezien als een belangrijke manier om duurzame energie op te slaan, bijvoorbeeld de zonne-energie die tijdens de zonrijke zomer wordt opgewekt, kan worden opgeslagen voor gebruik tijdens de donkere winter