Onderzoekers van de Universiteit van Linköping, Zweden, proberen koolstofdioxide om te zetten, een broeikasgas, om brandstof te gebruiken met behulp van energie uit zonlicht. Recente resultaten hebben aangetoond dat het mogelijk is om hun techniek te gebruiken om selectief methaan te produceren, koolmonoxide of mierenzuur uit kooldioxide en water. De studie is gepubliceerd in ACS Nano .

Planten zetten koolstofdioxide en water om in zuurstof en energierijke suikers, die ze gebruiken als "brandstof" om te groeien. Ze halen hun energie uit zonlicht. Jianwu Sun en zijn collega's van de Universiteit van Linköping proberen deze reactie te imiteren, bekend als fotosynthese, gebruikt door planten om koolstofdioxide uit de lucht op te vangen en om te zetten in chemische brandstoffen, zoals methaan, ethanol en methanol. De methode bevindt zich momenteel in een onderzoeksfase, en de langetermijndoelstelling van de wetenschappers is om zonne-energie efficiënt om te zetten in brandstof.

"Door koolstofdioxide om te zetten in brandstof met behulp van zonne-energie, deze techniek kan bijdragen tot de ontwikkeling van bronnen van hernieuwbare energie en de impact op het klimaat van de verbranding van fossiele brandstoffen verminderen, " zegt Jianwu Sun, hoofddocent bij de vakgroep Natuurkunde, Scheikunde en biologie aan de Universiteit van Linköping.

Grafeen is een van de dunste materialen die er bestaan, bestaande uit een enkele laag koolstofatomen. Het is elastisch, flexibel, transparant voor zonlicht, en een goede geleider van elektriciteit. Deze combinatie van eigenschappen zorgt ervoor dat grafeen potentieel heeft voor gebruik in toepassingen zoals elektronica en biogeneeskunde. Maar grafeen alleen is niet geschikt voor de toepassing van zonne-energieconversie waarnaar de LiU-onderzoekers streven, en daarom hebben ze het grafeen gecombineerd met een halfgeleider, kubisch siliciumcarbide (3C-SiC). Wetenschappers van de Universiteit van Linköping hebben eerder een toonaangevende methode ontwikkeld om grafeen te laten groeien op kubisch siliciumcarbide, dat bestaat uit koolstof en silicium. Wanneer het siliciumcarbide wordt verwarmd, het silicium wordt verdampt, terwijl de koolstofatomen achterblijven en zich opnieuw vormen in de vorm van een grafeenlaag. De onderzoekers hebben eerder aangetoond dat het mogelijk is om gecontroleerd tot vier lagen grafeen op elkaar te leggen.

Ze hebben grafeen en kubisch siliciumcarbide gecombineerd om een ​​op grafeen gebaseerde foto-elektrode te ontwikkelen die het vermogen van kubisch siliciumcarbide behoudt om de energie van zonlicht op te vangen en ladingsdragers te creëren. Het grafeen fungeert als een geleidende transparante laag en beschermt het siliciumcarbide.

De prestaties van de op grafeen gebaseerde techniek worden bepaald door verschillende factoren, een belangrijke daarvan is de kwaliteit van de interface tussen het grafeen en de halfgeleider. De wetenschappers hebben de eigenschappen van deze interface in detail bekeken. Ze laten in het artikel zien dat ze de grafeenlagen op het siliciumcarbide kunnen aanpassen en de eigenschappen van de op grafeen gebaseerde foto-elektrode kunnen regelen. De omzetting van kooldioxide wordt op deze manier efficiënter gemaakt, terwijl tegelijkertijd de stabiliteit van de componenten wordt verbeterd.

De door de onderzoekers ontwikkelde foto-elektrode kan worden gecombineerd met kathoden van verschillende metalen, zoals koper, zink of bismut. Verschillende chemische verbindingen, zoals methaan, koolmonoxide en mierenzuur, kan selectief worden gevormd uit kooldioxide en water door geschikte metaalkathoden te selecteren.

"Het belangrijkste is, we hebben aangetoond dat we zonne-energie kunnen gebruiken om de omzetting van koolstofdioxide in methaan te beheersen, koolmonoxide of mierenzuur, " zegt Jianwu Sun.

Methaan wordt gebruikt als brandstof in voertuigen die zijn aangepast voor het gebruik van gasvormige brandstoffen. Koolmonoxide en mierenzuur kunnen ofwel verder worden verwerkt zodat ze als brandstof kunnen fungeren, of ze kunnen worden gebruikt in de industrie."