Hele 3 av 7 radikalt nyskapende forskningsprosjekter til UiO

Senter for materialvitenskap og nanoteknologi (SMN) scoret hat-trick da Forskningsrådet nylig delte ut penger til prosjekter i forskningsfronten innen energi, transport og lavutslipp.

Bildet kan inneholde: smil, visjon omsorg, drikkevarer, plast flaske, audioutstyr.

Da Forskningsrådet i fjor bestemte seg for å finansiere grensesprengende og kreative energiforskningsprosjekter med nyskapende vinkling eller tematikk, mottok de 41 søknader totalt. Av disse fikk 7 prosjekter støtte til en første fase – hvorav 3 hører hjemme ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi.

– Det er selvfølgelig utrolig stas å nå opp med så mange prosjekter i noe som faktisk er en veldig krevende bestilling fra Forskningsrådet, sier Klaus Magnus Håland Johansen, leder ved SMN.

– De var ute etter høyrisikoprosjekter, hvor man har relativt kort tid på seg til å bevise at man bør gå videre til fase to. Kun 3 av prosjektene kommer til å gjøre det – de regner altså med at fire stykker feiler, og det illustrerer godt den høye risikoen og nivået, forklarer han og legger til:

– Vi synes det er veldig gøy å se at to unge talenter i tett samarbeid med våre mer etablerte forskere har klart å nå opp. Samtidig er det også veldig spennende med et prosjekt som genuint krysser grensen mellom kjemi og fysikk.

SMN-prosjektene som får finansiering er rettet mot konvertering av sollys, kalsiumbatterier, og utforsking av en helt ny klasse av dioder, som finnes i alt fra solceller til LED-lys.

Omdanning av sollys til UV-lys

Bildet kan inneholde: panne, visjon omsorg, briller, kjeve, væske.
Per-Anders Stensby Hansen, Senter for materialvitenskap og nanoteknologi

«SunUP - Solar photochemical H2 production through novel routes»-prosjektet ledes av forsker Per-Anders Stensby Hansen og professor Ola Nilsen fra Kjemisk institutt, og skal bidra til det å lage grønt hydrogen ved hjelp av sollys.

–  Det finnes noen materialer som er såkalt fotokatalytiske, det vil si at de kan skape kjemiske reaksjoner når det skinner sollys på dem. For eksempel titanoksid, som gjennom dette kan rive vannmolekyler fra hverandre og lage hydrogen og oksygen. Problemet er at titanoksid bare absorberer litt av sollyset, de få prosentene som består av UV-lys. Det er ikke spesielt effektivt, så vårt prosjekt handler om å konvertere sollyset til UV-lys, forklarer Hansen.

Det skal de gjøre gjennom å utvikle et filmmateriale som kan absorbere den synlige delen av lyset og omdanne det til UV-lys som kan drive titanoksidet.

– Ingen har fått til dette ordentlig før. Det vanlige har vært å bytte ut titanoksid med noe som absorberer bedre. Problemet med det er at når slike materialer absorberer mer sollys, har de også en lei tendens til at den fotokatalytiske evnen blir dårligere. Med vår løsning, en absorberende film som fungerer separat, kan titanoksidet virke på egenhånd og bli utviklet for maksimal effekt. Det kan tenke bare på kjemi, ikke absorbering av lys – for det tar filmen seg av, sier Hansen.

Det nye ved metoden Hansen og Nilsen skal ta i bruk, er at de setter sammen komponentene i den konverterende filmen på en svært fleksibel, men enkel og kontrollerbar måte.

– Vi skal kombinere én komponent som absorberer lys med en annen komponent som kan gjøre det om til UV-lys. Vi har gjort forsøk med lignende systemer som tilsier at dette er mulig. I en artikkel i Communications Chemistry - Nature viser vi hvordan vi satte sammen et absorberende fargestoff med et konverteringslag, og det fungerte fint, sier Hansen.

En ny type kalsiumbatteri

Bildet kan inneholde: person, smil, leppe, hake, frisyre.
Carmen Cavallo, Senter for materialvitenskap og nanoteknologi.

Forsker Carmen Cavallo og professor Helmer Fjellvåg står bak prosjektet «Calcium-Silicon alloy-based all-solid-state batteries (CalSiumbat)”, som ser nærmere på hvordan man kan bruke kalsium i stedet for litium i batterier. Ikke bare det, de vil også takle en del utfordringer knyttet til bruken av rent kalsium. Løsningen deres er en legering av kalsium og silisium.

– Etterspørselen er så stor at verden kommer til å gå tom for litium i løpet av ti år. I tillegg knytter det seg en rekke politiske, sosiale og etiske problemer til selve utvinningen av grunnstoffer til Li-ion-batterier, som hovedsakelig skjer i land som Kina, Den demokratiske republikken Kongo og i Latin-Amerika, forklarer Cavallo.

Kalsium er det femte mest vanlige grunnstoffet, og forekomsten av det er ganske jevnt fordelt rundt omkring på jorda. Det finnes ikke som rent metall, men i ulike mineraler – for eksempel kalkstein og marmor. 

– Tilgangen på kalsium gjør at det blir billigere å utvinne. Et kalsiumbasert batteri vil være tryggere i bruk. Litiumbatterier kan i verste tilfelle eksplodere og ta fyr dersom de eksponeres for luft – det gjør ikke kalsium, sier hun.

I fase én skal Cavallo og Fjellvåg utvikle den nye legeringen av kalsium og silisium, og når de forhåpentligvis får finansiert fase to, planlegger de et fullt prosjekt som skal ende med et faststoff kalsium-ion-batteri, med en spenning på over 4 V (ganske parallelt med et Li-ion-batteri). Elektrolytten vil være av en polymer, men uten løsemidler og dermed heller ikke brennbar. Katoden vil på sin side lages av forbindelsen berlinerblå og inneholder ikke kobolt, og vil derfor heller ikke være giftig.

– Det er kanskje her prosjektet vårt skiller seg ut blant det som er vanlig innen nyskapende, radikal forskning: Vi sikter mot et konkret sluttprodukt – en ny type batteri – ikke bare forskning på enkelte bestanddeler eller prosesser, sier Cavallo, som har beskrevet kalsiumbatteriene nærmere sammen med europeiske kollegaer i denne artikkelen i Journal of Power Sources.

Tverrfaglig tilnærming til LED og solceller

Bildet kan inneholde: briller, panne, briller, nese, hud.
Truls Norby, Senter for materialvitenskap og nanoteknologi.

Den tredje av SMN-tildelingene, prosjektet «Radically new p-n heterojunction concept for novel photovoltaic, photocatalytic, and electrochemical energy conversion (RADICON)”, ledes av professor Truls Norby fra Kjemisk institutt i tverrfaglig samarbeid med professor Lasse Vines og Andrej Kuznetsov fra Fysisk institutt.

Norby forklarer:

– Tradisjonelt lages halvlederkomponenter som dioder, transistorer, LED og solceller med fysiske, såkalte “top-down” metoder. RADICON går helt nye veier basert på likevektkjemi for å lage dem “bottom-up”. Med dette kan man i prinsippet oppnå bedre stabilitet, billigere produksjon, og ny funksjonalitet.

Det er behov for nye materialer og prosesser for å demonstrere at prinsippet fungerer, og det er dette RADICON skal gjøre i den første fasen som nå er finansiert av Forskningsrådet.

– Da skal vi fokusere på energikonvertering mellom lys og elektrisitet i solceller og LED, samt integrasjon med kjemiske prosesser som luft- og vannrensing og nye typer brenselceller. Teknologiene kan danne grunnlag for ny halvlederindustri og ha betydning for flere av FNs bærekraftmål knyttet til energi, klima, miljø og helse, sier Norby.

Vebjørn Bakken, direktør for UiO:Energi, er  imponert over uttellingen til SMN-senteret i tildelingen av de radikalt nyskapende forskningsprosjektene.

– Prosjektene representerer det som må kalles tematisk grunnforskning. Det er konsepter som krever fundamental forståelse av energimaterialene som inngår, og det blir svært spennende å se hvor mange av dem som får videre finansiering etter gjennomført første fase.

Publisert 24. mars 2021 17:10 - Sist endret 26. mars 2021 09:52