Nanomaterialen combineren een hoge poreusheid, ongekende oppervlakte/volumeverhouding en een eenvoudige productie

Efficiëntere batterijen, betere katalysatoren, brandstofcellen en waterstofproductie: dat is (een deel van) de belofte die imec verwacht van een nieuw nanomateriaal. “Dit kan een doorbraak betekenen in verschillende duurzame toepassingssectoren”, zegt imec, dat vestigingen heeft in onder meer Leuven en Eindhoven.

Imec, een wereldwijd toonaangevend onderzoeks- en innovatiecentrum in nano-elektronica, energie en digitale technologieën, en de KU Leuven, beide partners in EnergyVille, hebben onlangs het nanomateriaal gedemonstreerd. Het gaat om een driedimensionale (metalen) rasterstructuur op nanometerschaal met zeer regelmatige interne dimensies. Dankzij de combinatie van de materiaaleigenschappen en het gemak van productie, kan het volgens imec breed toepasbaar worden in (duurzame) industriële toepassingen zoals batterijen en brandstofcellen.

Lees hier meer ovver imec

Het nanomateriaal is een 3D-structuur van nanodraden die horizontaal met elkaar verbonden zijn op meerdere niveaus, met zeer regelmatige interne afstanden en afmetingen. Het resultaat is een combinatie van hoge poreusheid met een ongekende oppervlakte/volumeverhouding. Voor elke micrometer dikte is er een 26-voudige toename van het beschikbare oppervlak. Om dit te visualiseren: bij het vullen van een klein blikje frisdrank zou het volume 75% leeg blijven terwijl het al een oppervlakte heeft die gelijk is aan de grootte van een voetbalveld. Bovendien kunnen de binnen- en buitenafmetingen worden afgestemd op bijna elke specificatie, waardoor het potentieel compatibel is met een veelheid aan toepassingsvereisten.

Veel industriële processen bouwen voort op chemische reacties die (moeten) plaatsvinden aan een oppervlak. Hoe meer oppervlak beschikbaar is, hoe meer reacties er tegelijkertijd kunnen optreden en hoe hoger de doorvoersnelheid van het proces. Denk bijvoorbeeld aan elektroden in batterijen die lithium omzetten in lithium-ionen. Imec’s nanomateriaal kan hoge capaciteit en snel oplaadbare batterijen mogelijk maken, omdat het grote oppervlak in combinatie met de hoge poreusheid een hoge belasting van energieopslagmateriaal heeft, terwijl het als nanometer dunne film in nauw contact met de collector blijft. Ook in brandstofcellen kan de metalen nanostructuur van het nieuwe nanomateriaal van imecs nanomateriaal tegelijkertijd fungeren als een stroomverzamelaar en een functionele katalysator. Bij de elektrolytische productie van waterstof uit water bleek bijvoorbeeld dat een paar micron van het nieuwe nanomateriaal beter presteerde dan 300 keer dikker nikkelschuim van ongeveer één millimeter dik.

nanomesh

nanomesh, © imec

Ook belangrijk is dat dit materiaal vrij gemakkelijk kan worden vervaardigd door middel van goedkope anodisatie en galvanische processen. Prof. Philippe Vereecken, wetenschappelijk directeur van imec en professor aan de faculteit Biowetenschappen van de KU Leuven, heeft hoge verwachtingen van dit nieuwe nanomateriaal. “De grootste kracht van het materiaal ligt in de regelmaat van de structuur, de grote open structuur en de vervormbaarheid van de afmetingen. Bijna 10 jaar geleden ontdekten we deze driedimensionale nanoporeuze structuur, maar pas tijdens het promotieonderzoek van Stanislaw Zankowski werd het unieke karakter van dit materiaal duidelijk. De ruimtes tussen de nanodraden waren klein bij het gebruik van de traditionele gematteerde nanodraden. Stan optimaliseerde het fabricageproces om de grote poreusheid te verkrijgen, zodat het nu in veel toepassingen kan worden benut. We verwelkomen alle industriële partijen die samen met ons dit veelbelovende materiaal willen omzetten in industriële toepassingen.”