3.6 Nanoteknologi i energi og miljø

Nanoverktøy for en grønnere klode

Noen av verdens mest presserende utfordringer handler om energi og miljø: klimaendringer, økende energibehov, forurensning og tilgang til rent vann. Her tilbyr nanoteknologien nye verktøy, fordi nanomaterialer ofte har egenskaper som er dramatisk forbedret. Vi skal se på fire områder: solceller, batterier, katalyse og vannrensing.

La oss starte med solceller. Konvensjonelle silisiumsolceller er blitt rimelige, men nanoteknologi åpner for nye generasjoner. Kvanteprikksolceller bruker kvanteprikker som lysabsorberende materiale, og fordi energigapet er størrelsesavhengig, kan man finjustere absorpsjonen så den matcher solspekteret. En særlig spennende mulighet er multiple exciton generation (MEG): i kvanteprikker kan ett høyenergetisk foton lage mer enn ett elektron-hull-par, noe som i prinsippet kan bryte Shockley-Queisser-grensen på rundt 33 %.

Perovskittsolceller har revolusjonert feltet -- virkningsgraden steg fra 3,8 % i 2009 til over 26 % i 2024, og de kan lages fra løsning ved romtemperatur. Og fargestoffsensibiliserte solceller (Grätzel-celler) bruker nanoporøs $\text{TiO}_2$ med enorm overflate. Regner du på et 10 µm tykt lag av 20 nm-partikler, ender du på en indre overflate på rundt 150 $\text{cm}^2$ -- 150 ganger mer enn glassbiten det ligger på. Det er denne overflateøkningen som lar massevis av fargestoff binde seg og fange sollys.

Raskere batterier og renere vann

Effektiv energilagring er en flaskehals for fornybar energi, og her gjør nanoteknologien underverker. I et litiumionbatteri må litiumioner transporteres inn og ut av elektrodematerialet. Diffusjonstiden skalerer som $\displaystyle t \propto \frac{L^2}{D}$, der $L$ er diffusjonsavstanden. Krymper du partiklene fra 5 µm til 50 nm, kan ladetiden teoretisk falle fra rundt 40 minutter til under et sekund -- en faktor på flere tusen, fordi tiden går med kvadratet av avstanden. I tillegg gir nanostrukturering større overflate og bedre toleranse for volumendringer.

Det siste er avgjørende for silisiumanoder. Silisium har en teoretisk kapasitet på 3579 mAh/g -- ti ganger grafitt -- men det ekspanderer rundt 300 % når det tar opp litium, og bulk-silisium knuses etter få sykluser. Nanostrukturert silisium tåler dette fordi nanopartikler har plass til å utvide seg og takler mekanisk stress bedre. Faststoffbatterier med nano-grenseflater kan dessuten erstatte den brannfarlige flytende elektrolytten.

Nanoteknologi hjelper også med rent vann -- noe over to milliarder mennesker mangler. Karbonnanørørmembraner lar vann strømme gjennom rør på 1-2 nm med ultraglatt innside, opptil 1000 ganger raskere enn vanlige polymermembraner, noe som kan kutte energibruken ved avsaltning kraftig. Grafénoksidmembraner og nanofibermembraner gir andre filtreringsmuligheter. Og nanokatalysatorer utnytter det enorme overflatearealet: gull, som er inert i bulk, blir katalytisk aktivt under 5 nm, mens $\text{TiO}_2$ brukes som fotokatalysator som bryter ned forurensning under UV-lys.

Fotokatalyse og forurenset grunnvann

La oss se nærmere på to kraftfulle miljøverktøy. Det første er fotokatalyse med $\text{TiO}_2$. Når et foton med energi minst lik bandgapet (3,2 eV for anatase) treffer en $\text{TiO}_2$-nanopartikkel, lages et elektron-hull-par. Hullet oksiderer vann til hydroksylradikaler (OH·), mens elektronet reduserer oksygen til superoksid. Disse reaktive oksygenartene river i stykker organiske forurensninger og omdanner dem til $\text{CO}_2$ og vann -- de dreper også bakterier. Nanokrystallinsk $\text{TiO}_2$ er ideell fordi den store overflaten gir mange aktive seter, og den lille størrelsen reduserer at elektron og hull rekombinerer før de rekker å virke.

Det andre verktøyet er nano-nullverdig jern (nZVI) for å rense forurenset grunnvann. Tenk deg grunnvann forurenset med trikloreten, et klorert løsemiddel. Jernnanopartiklene donerer elektroner som bryter C-Cl-bindingene trinnvis: $\text{C}_2\text{HCl}_3 + 4\text{Fe}^0 + 5\text{H}^+ \rightarrow \text{C}_2\text{H}_6 + 4\text{Fe}^{2+} + 3\text{Cl}^-$. Jernet oksideres mens forurensningen reduseres til ufarlig etan.

Hvorfor er nanojern så mye bedre enn vanlig jernpulver? Regn det ut: nZVI på 50 nm har $\displaystyle S/V = \frac{3}{r} \approx 1{,}2 \times 10^8\text{ m}^{-1}$, mot $1{,}2 \times 10^5$ for 50 µm-pulver -- 1000 ganger mer overflate, og dermed 1000 ganger flere reaktive seter. Reaksjonen tar minutter i stedet for dager. Og fordi partiklene er små nok til å bevege seg gjennom porer i jorda, kan man injisere dem direkte i grunnvannet og rense på stedet, uten å grave opp jorda.

Oppsummering

Vi har sett at nanoteknologi er et nøkkelverktøy for energi- og miljøutfordringer. Nanosolceller -- kvanteprikk-, perovskitt- og Grätzel-celler -- utnytter tunbare optiske egenskaper og store overflater, og multiple exciton generation kan potensielt bryte Shockley-Queisser-grensen. Nanostrukturerte batterielektroder gir mye raskere lading siden diffusjonstiden går med $L^2$, og redder silisiumanoder fra å sprekke under volumendring.

På miljøsiden gir nanomembraner (karbonnanørør, grafénoksid) renere vann med lavere energibruk, fotokatalyse med $\text{TiO}_2$ bryter ned forurensning med sollys, og nano-nullverdig jern renser forurenset grunnvann med 1000 ganger mer overflate enn vanlig jern. I sum kan nanoteknologien bidra til en mer bærekraftig framtid.