Forskare vid Linköpings universitet, Sverige, försöker omvandla koldioxid, en växthusgas, att bränsle med energi från solljus. De senaste resultaten har visat att det är möjligt att använda sin teknik för att selektivt producera metan, kolmonoxid eller myrsyra från koldioxid och vatten. Studien har publicerats i ACS Nano .

Växter omvandlar koldioxid och vatten till syre och högenergisocker, som de använder som "bränsle" för att växa. De hämtar sin energi från solljus. Jianwu Sun och hans kollegor vid Linköpings universitet försöker efterlikna denna reaktion, känd som fotosyntes, används av växter för att fånga upp koldioxid från luften och omvandla den till kemiska bränslen, som metan, etanol och metanol. Metoden befinner sig för närvarande i ett forskningsstadium, och det långsiktiga målet för forskarna är att omvandla solenergi till bränsle effektivt.

"Genom att omvandla koldioxid till bränsle med hjälp av solenergi, denna teknik kan bidra till utvecklingen av förnybara energikällor och minska klimatpåverkan vid förbränning av fossila bränslen, "säger Jianwu Sun, universitetslektor vid Institutionen för fysik, Kemi och biologi vid Linköpings universitet.

Grafen är ett av de tunnaste materialen som finns, som består av ett enda lager kolatomer. Det är elastiskt, flexibel, transparent för solljus, och en bra ledare för el. Denna kombination av egenskaper säkerställer att grafen har potential för användning i applikationer som elektronik och biomedicin. Men grafen ensam är inte lämpligt för den applikation för omvandling av solenergi som LiU -forskarna efterfrågar, och de har därför kombinerat grafen med en halvledare, kubisk kiselkarbid (3C-SiC). Forskare vid Linköpings universitet har tidigare utvecklat en världsledande metod för att odla grafen på kubisk kiselkarbid, som består av kol och kisel. När kiselkarbiden värms upp, kislet förångas, medan kolatomerna finns kvar och återkonstruerar i form av ett grafenskikt. Forskarna har tidigare visat att det är möjligt att placera upp till fyra lager grafen ovanpå varandra på ett kontrollerat sätt.

De har kombinerat grafen och kubisk kiselkarbid för att utveckla en grafenbaserad fotoelektrod som bevarar kubisk kiselkarbids förmåga att fånga upp solljusets energi och skapa laddningsbärare. Grafen fungerar som ett ledande transparent lager samtidigt som kiselkarbiden skyddas.

Prestanda för den grafenbaserade tekniken styrs av flera faktorer, varav en viktig är kvaliteten på gränssnittet mellan grafen och halvledare. Forskarna har tittat på egenskaperna hos detta gränssnitt i detalj. De visar i artikeln att de kan skräddarsy lagren av grafen på kiselkarbiden och kontrollera egenskaperna hos den grafenbaserade fotoelektroden. Omvandlingen av koldioxid görs på detta sätt mer effektiv, samtidigt som komponenternas stabilitet förbättras samtidigt.

Fotoelektroden som utvecklats av forskarna kan kombineras med katoder av olika metaller, som koppar, zink eller vismut. Olika kemiska föreningar, som metan, kolmonoxid och myrsyra, kan selektivt bildas av koldioxid och vatten genom att välja lämpliga metallkatoder.

"Viktigast, vi har visat att vi kan använda solenergi för att kontrollera omvandlingen av koldioxid till metan, kolmonoxid eller myrsyra, "säger Jianwu Sun.

Metan används som bränsle i fordon anpassade för användning av gasformiga bränslen. Kolmonoxid och myrsyra kan antingen bearbetas ytterligare så att de kan fungera som bränslen, eller de kan användas inom industrin. "