Kraftfull cellulosa

Forskningsprojekt, 2017 – 2019

Att utnyttja naturresurser för att skapa nya och användbara material är något som alltid har sysselsätt människan. Att göra detta på ett hållbart och miljövänligt sätt är en större utmaning, som just nu engagerar oss alla som privata individer, forskare eller politiker. Material som går att återanvända, förnybara resurser, och emissionfria teknologier är exempel på vad vi måste fokusera på om vi ska lyckas med att ställa om till ett hållbart och biobaserat samhälle. Ytterligare en utmaning handlar om att utveckla smarta material, det vill säga material med en dubbel funktionalitet eller hybrida material där funktionaliteten beror på samexistensen av två olika intimt mixade komponenter.

Cellulosa är en naturresurs som nyligen fått en enorm uppmärksamhet för sitt potential att brytas ner till en användbar och förnybar råvara, som sedan kan förädlas för att till exempel producera biobränslen (Bioetanol), skapa textilfibrer (Lyocell), eller forma geler för ett kontrollerat utsläpp av läkemedel (METHOCEL). Däremot är användningen av cellulosa-deriverade material i energirelaterade tillämpningar fortfarande relativt outforskat, vilket är något förvånande med tanke på de krav man faktiskt har på en låg kostnad och en hög tillgänglighet hos de material som man tänker lansera på marknaden.

Bränslecellen är en ren teknologi som omvandlar kemisk till elektrisk energi och är både tyst och emissionsfri: enbart vatten och värme skapas av den bakomliggande elektrokemiska processen. Bränslecellen kan användas som stationärt elaggregat, som drivkraft i fordon (bilar, lastbilar, cyklar, etc), samt som laddare för till exempel mobiltelefoner eller datorer. Trots sin stora potential har bränslecellen inte slagit igenom i den breda marknaden, vilket till stor del beror på de dyra komponenter som den idag består av. Katalisatorn är platina, en sällsynt ädelmetall, och det så kallade protonledande membranet (Nafion) är både dyr att framställa och innehåller många fluoratomer. Dessutom är Nafions funktionalitet starkt beroende av vattenmängden i polymeret, vilket gör att Nafion kan enbart användas vid låga temperaturer, dvs inte över 80 °C då uttorkning blir ett problem.

I detta projekt föreslår vi att ersätta det dyra perfluorinerade polymeret Nafion med en cellulosa-baserad gel, som i sin tur skall fyllas med en protisk jonvätska. Detta hybrida materialkoncept kallar vi för en JonGel. Den protiska vätskan skall ersätta vatten i sin funktion att leda protoner men ska också vara effektiv i att lösa upp cellulosan från sin ursprungliga biomassa. Den skall alltså vara både en god lösningsmedel och en god protonledare. Cellulosan skall då vara den strukturellt bärande matrisen. Vil vill tackla olika forskningsaspekter, som spänner sig från materialidé till tekniskt tillämpning varför de viktigaste forskningsmoment kommer att vara följande.

Utav en bred serie av outforskade jonvätskor i sammanhanget "cellulosa", kommer vi först att sortera ut de protiska jonvätskor som faktiskt kan lösa upp cellulosa från trä och därefter bilda en självbärande JonGel. Etablerade upplösningsprocesser med aprotiska jonvätskor finns redan att utgå ifrån. Struktur, kristallinitet och jon/protonledningsförmåga hos dessa JonGeler kommer att karaktiseras med hjälp av en serie experimentella metoder som inkluderar röntgenspridning, reologi, vibrationsspektroskopi (Raman och infrarött), samt kärnspinsresonansspektroskopi. Speciellt fokus kommer att ligga på att förstå sambandet mellan hur JonGelens struktur ser ut på en submikrometer skala och hur snabbt jonerna kan röra sig. Vid slutet av projektet kommer vi att testa de JonGeler som kan bestå med en hög protonledningsförmåga i verkliga bränsleceller, för att mäta den kraften (i form av ström och spänning) som de kan generera. Dessa försök kommer att vara av högst relevans för en möjlig kommercialiseringsprocess som vi har ambitionen att också hantera.