De synthese van tantaal- en hafniumoxide nanodeeltjes als pinningcentra in supergeleiders

Nanodeeltjes versus Energieschaarste

=

David versus Goliath

Een blik op de toekomst zonder fossiele brandstoffen

Energie is het fundament waarop elke vorm van leven of technologie gebaseerd is. Onze klassieke energiebronnen belasten echter het milieu en geraken stilaan uitgeput. Een duurzame energievoorziening vormt dus één van de grootste uitdagingen van de 21ste eeuw. Verschillende oplossingen worden naar voren geschoven en nanotechnologie speelt daarin vaak een belangrijke rol.

Ten eerste biedt waterstofgas een waardig alternatief voor fossiele brandstoffen. Alleen, de duurzame productie ervan is nog steeds een probleem. Kleine nanodeeltjes – 1 nanometer is 1 miljardste van een meter – kunnen dit verhelpen.

Ten tweede, om elektriciteit - één van de belangrijkste energiedragers - in de toekomst zonder energieverliezen te transporteren of op te slaan, zijn supergeleiders een vereiste. Deze materialen geleiden de stroom zonder er weerstand aan te bieden. Door nanodeeltjes te mengen met de supergeleiders worden deze laatste bruikbaar voor praktische toepassingen.

In deze scriptie werd onderzoek verricht naar milieuvriendelijke productiemethoden voor nanodeeltjes die kunnen toegepast worden in de waterstofproductie enerzijds of in supergeleiders anderzijds.

Water splitsen met behulp van nanodeeltjes

Energie is pas nuttig wanneer ze een bruikbare vorm aanneemt, bijvoorbeeld aardolie. Olie kan gemakkelijk aangewend worden als brandstof voor motoren maar de voorraden slinken. Om een duurzame energievoorziening te waarborgen moeten we leren de hernieuwbare energie rondom ons (wind, zon, enz.) om te zetten in bruikbare energie. Naast zonnecellen, die elektriciteit produceren, bestaan er ook materialen die zonlicht gebruiken om water te splitsen in waterstof en zuurstof. Waterstofgas kan dan als brandstof dienst doen, bijvoorbeeld in de auto. De voordelen voor het milieu zijn talrijk: de uitlaatgassen bestaan enkel uit waterdamp en er is geen uitstoot van roet, broeikasgassen of smogvormende chemicaliën.

Om het splitsen van water zo efficiënt mogelijk te laten verlopen, moet er zoveel mogelijk contactoppervlak gevormd worden tussen het actief splitsingsmateriaal en het water. Nanodeeltjes behoren hiervoor tot de absolute top. Ter illustratie, het totaaloppervlak van 1 kilogram nanodeeltjes (met een diameter van 3 nanometer) kan oplopen tot 40 voetbalvelden! Nanodeeltjes bieden dus een gigantisch contactoppervlak en zijn daarom ideaal voor waterstofproductie.

Een waardevol materiaal om water te splitsen is tantaaloxynitride (chemische formule: TaON). Wij hebben TaON deeltjes gemaakt met een diameter van 2 nanometer. De reactie was afgelopen in slechts 10 minuten, in tegenstelling tot de bestaande methoden die 3 dagen in beslag nemen! Deze opmerkelijke prestatie was mogelijk door het waterige reactiemengsel in de microgolfoven te laten reageren. Net zoals bij het opwarmen van eten, verlopen chemische reacties vaak sneller met microgolfverwarming dan met gebruikelijke verwarmingstechnieken. Hoe minder lang een reactie duurt, hoe minder energie er nodig is om de deeltjes te maken. De nanodeeltjes worden op dit moment verder getest op hun watersplitsende eigenschappen.

De rol van nanodeeltjes bij duurzaam elektriciteitstransport en -opslag

De meest voorkomende vorm van energie is nog steeds elektriciteit. Daarom zetten technieken zoals windturbines en zonnecellen de omgevingsenergie rechtstreeks om in elektriciteit. De huidige, koperen geleiders kunnen elektriciteit echter niet transporteren zonder grote energieverliezen (door warmteontwikkeling). Nochtans is transport onvermijdelijk omdat de plaats van opwekking niet gelijk is aan de plaats van verbruik. Supergeleiders kunnen de elektrische stroom echter wél transporteren zonder energieverliezen omdat ze geen weerstand bieden aan de stroom.

Bovendien is het met deze fascinerende technologie ook mogelijk om de stroomproductie via zonnecellen en windturbines te stabiliseren. Op zonnige dagen met een strakke wind produceren beide technieken veel stroom, maar op windstille, grijze dagen laten ze het afweten. Dit zou in de toekomst kunnen leiden tot stroompannes. Daarom is het belangrijk om de pieken en dalen van de stroomproductie op te vangen. Supergeleidende systemen kunnen elektrische energie efficiënt opslaan bij overproductie en afgeven bij onderproductie.

De eerste generatie supergeleiders heeft het nadeel dat ze gekoeld moet worden met vloeibare helium (-269 °C). Helium is echter schaars en erg duur. De nieuwe, Hoge Temperatuur Supergeleiders, werken daarentegen bij temperaturen van vloeibare stikstof (-196 °C). Een liter vloeibare stikstof is goedkoper dan een liter cola en koeling is dus veel goedkoper dan bij de eerste generatie.

Bij het praktisch gebruik van de Hoge Temperatuur Supergeleiders ontstaan er echter supergeleidende wervelstromen, vergelijkbaar met tornado’s. Deze supergeleidende tornado’s zijn slechts 3 nanometer in diameter. Ze bewegen doorheen het supergeleidende materiaal en vernietigen op hun weg alle supergeleiding. Dit kan opgelost worden door het inbrengen van nanodeeltjes. Deze deeltjes zijn in staat de supertornado’s gevangen te houden zodat het materiaal supergeleidend blijft.

Voor dit onderzoek werden twee materialen geselecteerd op basis van hun chemische en fysische eigenschappen; tantaaloxide (Ta2O5) en hafniumoxide (HfO2). De eisen die aan de nanodeeltjes van deze materialen gesteld worden, zijn hoog. Ze moeten in staat zijn om de extreme condities tijdens de productie van de supergeleider te overleven, ze mogen niet groter zijn dan 10 nanometer en hun atomen moeten perfect gerangschikt staan in een rooster.

We hebben verschillende methodes getest om deze nanodeeltjes te produceren. Er werd hierbij steeds gestreefd naar energie-efficiënte processen. Uiteindelijk vormden zich geschikte deeltjes van hafniumoxide in een afgesloten stalen cilinder, onder hoge druk en bij 220 °C. Wederom verliep de reactie veel sneller door de microgolfoven te gebruiken. Uitstekende deeltjes van tantaaloxide werden verkregen door injectie van reagentia in een heet zeepmengsel. Net zoals zeep in staat is om vuil op te lossen en te omhullen, kunnen zeepmoleculen de nanodeeltjes bedekken zodat ze niet aan elkaar kleven. Zowel de hafniumoxide- als de tantaaloxidedeeltjes werden gemengd met een oplossing, waarin de bouwstenen voor de supergeleider reeds aanwezig zijn. Deze oplossing ondergaat in een oven de transformatie naar de supergeleider. De stroomdragende eigenschappen van de supergeleider zullen tijdens verder onderzoek bestudeerd worden.

BESLUIT

Het is absoluut noodzakelijk om oplossingen te vinden voor de slinkende energievoorraden. Nanotechnologie kan aangewend worden bij het omzetten van omgevingsenergie in een bruikbare vorm, zoals waterstof. Daarnaast kunnen nanodeeltjes de prestaties van supergeleidende draden sterk verbeteren. Dit biedt mogelijkheden voor een efficiënt transport en opslag van elektrische energie zodat we in de toekomst de computer kunnen aanzetten, zelfs op een bewolkte en windstille dag.