Forskarprofilen: Thomas Edvinsson

Han sätter ljus på materialens energikapacitet

Som barn fascinerades Tomas Edvinsson av vad som händer när ljus träffar materia. Idag forskar han på energiinteraktioner mellan ljus och material för användning i nya generationers solceller, solbränsle och vattenrening.

Allt utgår från ljus. Så även forskningen på Tomas Edvinssons labb på avdelningen för fasta tillståndets fysik där en uppsjö av ljusmätningsinstrument fyller bänkraderna. Här använder forskarna laserstrålar för att mäta kemiska sammansättningar och energinivåer hos olika material. Några av de mest avancerade instrumenten är så kallade Ramanspektroskop, var och en med en kapacitet på upp till fem laservågslängder. Genom att använda blått ljus i mikroskopen kan forskarna nå en upplösning på upp till 200 nanometer, eller 200 miljarddels meter.

– Storleksmässigt är det som om vi skulle göra runt 300 mätningar längs diametern av ett hårstrå. Ramanspektroskopi är väldigt användbart för att mäta hur enfärgat ljus absorberas och åstadkommer vibrationer i material och kan även användas för att mäta under en vattenyta eller om materialet har en spänning över sig, säger Tomas Edvinsson.

– Då lär vi oss också hur materialen beter sig i olika miljöer och framförallt hur vi kan modifiera materialen så att deras energinivåer och därmed egenskaper är optimala för en tillämpning.

För ännu noggrannare mätningar använder sig hans forskargrupp av ljus i kombination med atomkraftsspektroskopi. Då projicerar forskarna laserljuset över en så kallad plasmonspets eller en liten guldpartikel. Det gör att partikelns elektroner börjar svänga i takt med ljusets vibrationer.

– Detta skapar ett närfält på nedåt 10 nanometer vid materialytan. Då kan vi se saker som är mindre än våglängden på ljuset och även kombinera teknikerna så att vi kan lära oss mer saker.

Materialen forskarna studerar väljs ut beroende på sina dimensionella och elektroniska egenskaper. Ett av de främsta är metalloxider för fotokatalys, som i kombination med UV-strålning bryter ner mikroorganismer. Ett annat är metalhalogener av olika kristallstruktur och dimensioner för hybridperovskitsolceller.  Gemensamt är att de är intressanta för olika energi- och miljötillämpningar. Många av gruppens projekt involverar både nationella projekt från Vetenskapsrådet, Energimyndigheten, Formas och internationella företag.

Ett är EU-projektet PECSYS med målet att använda solljus för att splittra vatten till solväte och syre. Slutprodukten är den förnybara och lagringsbara energikällan vätgas. Förutom kollegan och solcellsforskaren Marika Edoff ingår Uppsalaföretaget Solibro, liksom ett energiföretag med Italiens största fabrik inom solceller, Enel Green Power.

– Det är en vänskaplig konkurrens inom EU-projektet om vem som har de bästa vattensplittringsenheterna, säger Tomas Edvinsson. Det elektrokemiska system som visar mest lovande resultat efter halva EU-projektet ska skalas upp till 10 m² och placeras utomhus i Tyskland under ett halvår för att se hur mycket vätgas man får ut av det.

Med två år kvar av anslagsperioden har forskarna lyckats nå en verkningsgrad på över 12 procent från solenergi till vätgas. Elektrolysdelen som Tomas Edvinssons grupp ansvarar för har dock betydligt högre verkningsgrad för mindre enheter. Man har också lyckats ersätta de dyra och ovanliga metallerna iridium och platina.

– För att kunna skala upp metoden till en stor lösning för mänskligheten behöver vi billigare och vanligare material. Där har vi nu ett antal lovande sådana i form av nickel- och järnbaserade katalysatorer. I en av katalysatorerna har vi uppnått mellan 83 till 95 procents verkningsgrad från el till vätgas och faktiskt slagit platina på vätgassidan.

Forskargruppen söker fortfarande svar på frågan hur så goda katalytiska egenskaper ska kunna bevaras och utnyttjas i storskaliga system under ett flertal decennier. Men med dessa höga verkningsgrader börjar det bli lovande att spara sol- och vindenergi i solbränsle, menar Tomas Edvinsson. Ett användningsområde han ser framför sig är vätgasbilar, ett annat elnätsoberoende lagring och uppvärmning, kanske även industridrift.

Som forskare har han dock svårt att driva den fortsatta utvecklingen utan att lämna akademin och starta eget.

– Frågan är hur vi ska välja: ska vi fortsätta forska på nya svåra problem och förbättra resultaten ytterligare? Eller ska vi söka patent och på heltid ägna oss åt företagsverksamhet? Med våra publicerade artiklar finns åtminstone resultaten ute för hela världen och marknaden att använda.

Ett annat projekt där hans forskning utgör en viktig länk är inom vattenrening med hjälp av solljus och fotokatalytiska material. I Edvinssons labb utsätts vattenprover från Kenya för laserljus i kombination med koppar- och zinkoxid. Materialen tillverkas som små kvantpunkter i storleksordningen 3 till 8 nanometer. Genom att ändra storleken på partiklarna kan forskarna styra materialens energinivåer och även hur effektivt materialen tar upp ljus. Det gör det möjligt att rena vatten från kemiska och biologiska föroreningar.

– Den utrustning som behövs när vi analyserar det här är väldigt avancerad i form av lasrar och synkrotronanläggningar. Men när vi förstår och vet vad som händer kommer vi bara att behöva blanda till ett pulver av materialen. Det stryks eller sprejas på som färg på en glasbit eller plastyta och stoppas sen ner i vattnet i exempelvis en PET-flaska. Efter några timmar under solljus på ett plåttak har föroreningarna brutits ned. Om det istället finns tungmetaller i vattnet tittar vi på material som reducerar dem till större partiklar, som sedan enkelt kan filtreras bort i ett filter i flaskhalsen.

Att kunskaper i allt från elektrokemi till kvantfysik krävs för hans forskningsområde står klart. Det tog också ett antal år innan Tomas Edvinsson hamnade rätt. 2002 doktorerade han på fysikalisk kemi på Uppsala universitet och undervisade sedan apotekare på farmaceutiska fakulteten i såväl matematik som elektrolytteori. Efter ett och ett halvt år bytte han till högskolan i Gävle och deras Creative Media Lab; ”jag programmerade lutande grafik i små displayer så att de fick plats för mer information”.

2005 började han som postdoktor hos Uppsalaprofessorn Anders Hagfeldt, forskare i fysikalisk kemi, och följde sedan med forskargruppen till KTH. Tillsammans med världens största kemiföretag, BASF AG, fick forskargruppen ihop 6 patent på solcellsmaterial. Via en tjänst som forskarassistent på Uppsala universitets materialkemi blev Tomas Edvinsson 2015 lektor på fasta tillståndets fysik. Där blev han 2017 befordrad till professor.
– Så jag har gått en lite krokig väg.

De till synes obegränsade talangerna är dock inget han vill framhäva.
– Jag kämpar bara på och lär mig nya saker hela tiden.

Ett antal kurser hinner han också med att ge, däribland en grundkurs i fasta tillståndets fysik och en ny kurs han är med och utvecklar inom halvledaroptik.
– Jag undervisar också kursen Nanomaterial för energi- och miljötillämpningar, där studenterna får lära sig rena förorenat vatten med kvantpunkter de själva tagit fram, och även tillverka solbränsle av vatten.
 

Anneli Björkman
2019-03-04

Tomas Edvinsson – fakta:

Titel: Professor i fasta tillståndets fysik vid institutionen för teknikvetenskaper, Uppsala universitet.
Familj: Tre barn, 18,16 och 8, och fru.
Gör på fritiden: Förutom att umgås mycket med familjen spelar jag bas i två band. I bandet Fat Cotton kör vi blues, jazz och Jimi Hendrix. Vi har bland annat haft spelningar i Schweiz och Los Angeles i samband med vetenskapliga besök och konferenser. Vi har också spelats på radio i Argentina. Uppsalaprofessorn Per Hansson spelar gitarr och sjunger, och professor Anders Hagfeldt som numera bor i Schweiz spelar trummor. Det andra bandet, Lapsed Souls, bygger på bandmedlemmarnas eget material.
Läser: Jag gillar Jorge Luis Borges och Wolfgang Borchert och skolan av absurd litteratur med Witold Gombrowicz i spetsen. Också ryska, lite mer vemodiga noveller. Jag och några kompisar, de flesta fysiker, har en bokklubb där vi går igenom klassiker som Albert Camus. Men även modernare romaner av bland annat Lena Andersson och Marianne Fredriksson.
Dold talang: Jag kan kasta spjut, är gammal friidrottare. 60 meter är personliga rekordet. Tävlade och vann några kommun- och regionmästerskap för Upsala IF.
Styrka: Kan ha många bollar i luften samtidigt.
Svaghet: Har för många bollar i luften.