Hvordan vi kan erstatte kritiske råmaterialer i katalyse, elektronik og fotonik

"Kritiske råstoffer" er afgørende for mange europæiske industrier, men de er sårbare over for knaphed og forsyningsafbrydelser. Som sådan, det er afgørende, at Europa udvikler strategier til at imødekomme efterspørgslen efter råvarer. En sådan strategi er at finde metoder eller stoffer, der kan erstatte de råvarer, som vi i dag bruger. Med det i tankerne, fire EU-projekter, der arbejder med substitution i katalyse, elektronik og fotonik præsenterede deres arbejde på Third Innovation Network Workshop om substitution af kritiske råmaterialer, der blev arrangeret af CRM_INNONET-projektet i Bruxelles tidligere på måneden.

NOVACAM

NOVACAM, et koordineret Japan-EU-projekt, har til formål at udvikle katalysatorer ved hjælp af ikke-kritiske elementer designet til at frigøre biomassens potentiale til en levedygtig energi- og kemisk råvarekilde.

Projektet bruger en 'catalyst by design'-tilgang til udvikling af næste generations katalysatorer (uorganiske katalysatorer i nanoskala), som NOVACAM-projektkoordinator prof. Emiel Hensen fra Eindhoven University of Technology i Holland forklarede. Lanceret i september 2013, projektet udvikler katalysatorer, som inkorporerer ikke-kritiske metaller for at katalysere omdannelsen af ​​lignocellulose til industrielle kemiske råmaterialer og biobrændstoffer. Den første del af projektet har været at udvikle principkemien, mens den anden del er at demonstrere procesbevis. Prof. Hensen forudser, at måske kun to af tre begreber vil overleve til denne fase.

Projektet har allerede gjort betydelige fremskridt inden for omdannelse af glukose og ethanol, ifølge prof. Hensen, og har produceret nogle vigtige videnskabelige publikationer. Konsortiet arbejder med et industrielt rådgivende udvalg bestående af Shell i EU og Nippon Shokubai i Japan.

FREECATS

FREECATS-projektet, præsenteret af projektkoordinator prof. Magnus Rønning fra Norges Tekniske Naturvidenskabelige Universitet, har gennem de seneste tre år arbejdet på at udvikle nye metalfrie katalysatorer. Disse ville være enten i form af bulk nanomaterialer eller i hierarkisk organiserede strukturer - som begge ville være i stand til at erstatte traditionelle ædelmetal-baserede katalysatorer i katalytiske transformationer af strategisk betydning.

Prof. Magnus Rønning forklarede, at anvendelsen af ​​de nye materialer kunne eliminere behovet for brugen af ​​platingruppemetaller (PGM) og sjældne jordarters metaller – i begge tilfælde er Europa meget afhængig af andre lande for disse materialer. I løbet af sin forskning, FREECATS målrettede især tre områder – brændselsceller, produktion af lette olefiner og vand- og spildevandsrensning.

Ved at arbejde på at erstatte platinet i brændselsceller, projektet understøtter EU's mål om at udskifte forbrændingsmotoren i 2050. som prof. Rønning bemærkede, mens platin er blevet optimeret til brug i flere årtier, materialerne FREECATS bruger er nye og kommer derfor med deres nye udfordringer, som projektet tager fat på.

HARFIR

Prof. Atsufumi Hirohata fra University of York i Det Forenede Kongerige, projektkoordinator for HARFIR, beskrevet, hvordan projektet sigter mod at opdage en antiferromagnetisk legering, der ikke indeholder det sjældne metal Iridium. Iridium bliver mere og mere udbredt i adskillige spin elektroniske lagerenheder, herunder læsehoveder i harddiske. Verdensforsyningen afhænger af platinmalm, der hovedsageligt kommer fra Sydafrika. Situationen er meget værre end for andre sjældne jordarters grundstoffer, da prisen er steget i de seneste år, ifølge prof. Hirohata.

HARFIR-holdet, delt mellem Europa og Japan, har til formål at erstatte Iridium-legeringer med Heusler-legeringer. EU-holdet, ledet af prof. Hirohata, har arbejdet på fremstilling af polykrystallinske og epitaksiale tynde film af Heusler-legeringer, med materialedesignet ledet af teoretiske beregninger. Det japanske hold, ledet af prof. Koki Takanashi ved Tohoku University, arbejder i mellemtiden på fremstilling af epitaksiale tynde film, målinger af fundamentale egenskaber og strukturel/magnetisk karakterisering ved neutron- og synkrotronrøntgenstråler.

En af de største udfordringer har været, at Heusler-legeringer har en forholdsvis kompliceret atomstruktur. Med hensyn til HARFIRs arbejde, hvis der er nogen atomare forstyrrelser på kanten af ​​nanopillar-enheder, de magnetiske egenskaber, der er nødvendige, går tabt. Teamet undersøger løsninger på denne udfordring.

IRENA

Prof. fra Esko Kauppinen Aalto Universitet i Finland afsluttede formiddagens første session med sin præsentation af IRENA-projektet. Lanceret i september 2013, projektet vil løbe indtil midten af ​​2017 og arbejde hen imod målet om at udvikle højtydende materialer, specifikt metalliske og halvledende enkeltvæggede carbon nanorør (SWCNT) tynde film for fuldstændigt at eliminere brugen af ​​de kritiske metaller i elektronenheder. Det ultimative mål er at erstatte Indium i transparente ledende film, og Indium og Gallium som en halvleder i tyndfilmsfelteffekttransistorer (TFT'er).

IRENA-teamet udvikler et alternativ, der er fleksibelt, gennemsigtig og strækbar, så den kan imødekomme kravene fra fremtidens elektronik – herunder muligheden for at printe elektronik.

IRENA involverer tre partnere fra Europa og tre fra Japan. Holdet har ekspertise i nanorørsyntese, tyndfilmsfremstilling og fremstilling af fleksible enheder, modellering af nanorørvækst og tyndfilmladningstransportprocesser, og projektet har nydt godt af udvekslinger af teammedlemmer mellem institutioner. En af de vigtigste resultater indtil videre er, at projektet er lykkedes med at bruge en tynd nanorørsfilm for første gang som både elektrode- og hulblokerende lag i en organisk solcelle.