Ultratunn forskning ska göra vätgasen mer tillgänglig

9 november 2023

Vätgas är en nyckelspelare i morgondagens gröna energilösningar – men att framställa väte är antingen dyrt eller förknippat med stora utsläpp. Det är hinder som Dr. Ivan Shtepliuk har tagit itu med i sitt ÅForsk-projekt.

Fjorton vetenskapliga artiklar har Ivan Shtepliuk hunnit publicera som alla berör en nobelprisad upptäckt och lösningar på atomnivå.

Vätgas har länge varit den nya energins Messias som gett hopp om allt från en koldioxidfri stålproduktion till avgasfria bilar. Men vägen dit kantas av hinder som att dagens industriella vätgasproduktion orsakar höga utsläpp av växthusgaser. Förvisso finns elektrolysen, den mer hållbara produktionstekniken som kan tillverka vätgas med hjälp av bara el och vatten men den är istället dyr. Anledningen är att elektrolysen kräver ett katalysatormaterial i form av en ädelmetall, idag används platina. Mer resurssmarta lösningar efterfrågas för att vätgas ska slå igenom som grön energikälla.

I sitt tvååriga projekt inom ÅForsk har Dr. Ivan Shtepliuk vid Linköpings Universitet undersökt om ädelmetaller kan användas som katalysatorer också i sin allra tunnaste form. Materialen Ivan utvecklar är tvådimensionella, alltså bara en atom tjocka. Tanken är att hela ädelmetallens yta ska fungera som katalysator istället för att det ska vara som idag. Idag använder sig den hållbara produktionstekniken av ett tjockare lager platina där bara en del av ytan fungerar som katalysator. Men ska katalysatormaterialen vara tvådimensionella kräver de något slags stöd för att hålla ihop. Själva stödet, eller substratet, är grafen. Denna platta kolstruktur låg bakom Nobelpriset i fysik 2010 och utgör den andra nyckelfaktorn i Ivans ÅForsk-projekt.

– Genom att analysera samspelet mellan ädelmetall och grafen vill jag ta fram billigare katalysatormaterial för en hållbar väteproduktion. Jag tar hjälp av innovativa beräknings- och experimentella metoder för att också försöka förstå vilka egenskaper i tvådimensionella material som är viktiga för väteproduktionen, säger Ivan.

Viktiga steg mot hållbar vätgasproduktion

Projektet inom ÅForsk avslutades i höstas och har resulterat i flera intressanta resultat, fjorton artiklar i vetenskapliga tidskrifter har publicerats. De speglar potentialen i tvådimensionella katalysatormaterial och att det finns lösningar på det faktum att de här ultratunna materialen kräver mer energi för att kicka igång den process som krävs för att framställa väte.

– De platinabaserade katalysatorer som finns idag förbrukar förhållandevis lite energi, för att få samma reaktion när vi använder dessa tvådimensionella material måste vi lägga till energi. En komplicerad uppgift är därför att optimera de tvådimensionella materialens egenskaper så att vi kan ”kompensera” för att de är mer energikrävande, säger Ivan och fortsätter:

– Vi har tagit fram en prototyp som visar att det faktiskt är möjligt. Prototypen består av ett extremt tunt lager silver på ett lager grafen och med den kan vi producera väte från vatten under pH-neutrala förhållanden. Det är fördelaktigt ur ett energieffektiviseringsperspektiv och exemplifierar ett banbrytande steg mot hållbar vätgasproduktion.

Data från projektet ska användas för att träna upp AI

Nu avslutas projektet inom ÅForsk men Ivan har fortsättningen klar för sig. Hans forskning har resulterat i stora mängder data. Data som kan användas för att träna upp AI-modeller specialiserade på att beräkna vilken som är den mest fördelaktiga ”designen” för tvådimensionella katalysatormaterial.

– Om vi kan kombinera AI med dessa data kan vi på ett effektivt sätt skapa de här nya tvådimensionella materialen. Efterfrågan från industrin är stark och resultaten från projektet kan komma till bred användning både inom vetenskapen och industrin.