Omdefiniera kolindustrin genom kolnanodroppar

I december 2023 enades 198 undertecknande länder vid Konferensen för parterna (COP) gemensamt om att världen måste “övergå” från fossila bränslen som kol på ett “rättvist, ordnat och rättvist sätt” för att minska växthusgasutsläppen till nästan noll år 2050. Det finns dock ännu inga tidsplaner, så fossila bränslen kommer att vara en pelare i ekonomierna överallt under de kommande åren.

Kol är världens mest dominerande och mest koldioxidintensiva energikälla. Fyra huvudtyper av kol inkluderar:

(i) Antracit
(ii) Bituminöst
(iii) Subbituminöst
(iv) Lignit

Detta fossila bränsle står för mer än 37 % av den globala elförsörjningen och spelar en grundläggande roll i att driva hem och industrier samt lindra världens energifattigdom. Även idag lever cirka 860 miljoner människor världen över utan tillgång till el. På så sätt är det moderna livet helt otänkbart utan kol.

Den globala kolanvändningen nådde faktiskt ett rekordhögt värde 2023 när efterfrågan på det fossila bränslet ökade med 1,4 % under året och för första gången översteg 8,5 miljarder ton, rapporterade Internationella energibyrån (IEA). Dess globala konsumtion förutspås förbli väl över 8 miljarder ton år 2026.

Kol är en viktig resurs för att hantera utmaningen med den snabbt ökande energiförbrukningen eftersom det är betydligt billigare och mer tillgängligt än andra fossila bränslen. Till skillnad från olja och gas finns det i överflöd över hela världen.

Det som är speciellt med kol är att det inte kräver högtrycksledningar, dyr bearbetning eller dyrt skydd under transport, vilket gör det enklare att lagra och transportera än andra mycket brandfarliga fossila bränslen. Dessutom behöver kol bara brytas innan det används, till skillnad från andra fossila bränslen som kräver en lång och kostsam raffinaderiprocess.

För att inte nämna, kolreserverna är fördelade mycket jämnare över planeten. Från och med januari 2020 har USA de världens största kolreserver, vilket utgör nästan 90 % av alla fossila bränsle‑reserver, med en uppskattning på 250 miljarder ton.

Förutom att vara billigare och lättillgängligt är kol också mycket mångsidigt och kan användas i en rad olika processer. Kol används främst för elproduktion världen över och är faktiskt en prisvärd energiform, där el som genereras av kol är billigare än el som genereras av andra källor.

Även i USA används kol för att producera el genom att bränna det fossila bränslet i kraftverk. Den resulterande värmen används för att omvandla vatten till högtrycksånga, som driver en turbin som sedan producerar el. År 2019 genererades cirka 23 % av all el i USA av kolkraftverk, enligt US Energy (BSIN ) Information Administration.

Detta fossila bränsle används också för att producera stål och betong och är en kärnkomponent i järnframställning, samt andra metaller som aluminium och koppar. Kol och dess biprodukter används dessutom i vattenfilter och luftrensningssystem, i konstruktionen av flygplan och bilar, i läkemedel och i kemiska processer för att extrahera sällsynta jordartsmetaller.

Sedan finns det gasifierings‑ och flytande användningsområden för kol, där majoriteten av kol‑till‑gas‑projekt ligger i USA och Kina, med några få i Australien, Kanada, Indien, Sydafrika och Indonesien. Förutom att producera kemiska byggstenar, såsom ammoniak, metanol och urea, används kol även i papper‑, textil‑ och glasindustrin. Tillsammans med tillverkning av kolfiber tillhandahåller det ingredienser som kiselmetaller, vilka används för att producera komponenter för personlig vård och hushållssektorn.

Trots kolens riklighet, prisvärdhet och pålitlighet står branschen inför utmaningar i form av att utveckla teknologier och vägar mot nollutsläpp, vilket identifieras som en faktor i klimatförändringen.

Klicka här för att lära dig om förebyggande eller behandling är vägen för att bekämpa atmosfärisk CO2.

Ompröva kolens ekonomiska roll

När länder runt om i världen lovar att övergå till andra former av energiproduktion på grund av deras bidrag till klimatförändringen, tittar forskare och vetenskapsmän på andra sätt att utnyttja kol. 

För att ompröva det fossila bränslets ekonomiska roll samlades Taiwan Semiconductor Manufacturing (TSM ) Company, National Energy Technology Laboratory, University of Illinois Urbana-Champaign och Oak Ridge National Laboratory för ett gemensamt forskningsprojekt och demonstrerade den kritiska roll som kol kan spela i nästa generations elektroniska enheter.

Under de senaste åren har mycket forskning pågått inom området 2D‑material på grund av deras elektriska, optiska och mekaniska egenskaper. Syntesen av ett antal atomtunna 2D‑material öppnar en ny plattform för lager‑för‑lager‑material som möjliggör utforskning av okända egenskaper och lovar en rad nya teknologier.

2D‑lagrade halvledare har egenskaper som hög rörlighet, låg‑effekt‑växling, relativt stort bandgap och möjlighet till tillväxt på stora ytor, vilket gör dem till lovande kandidater för nästa generations elektronik. Nu experimenteras kol för användning i sådan elektronik. 

“Kol anses vanligtvis vara något skrymmande och smutsigt, men de bearbetningstekniker vi har utvecklat kan omvandla det till högrenhetsmaterial bara ett par atomer tjocka.”

– sade Qing Cao, en professor i materialvetenskap & ingenjörsvetenskap vid U. of I. som medledde projektet. 

Han noterade också:

“Deras unika atomstrukturer och egenskaper är idealiska för att skapa några av de minsta möjliga elektronikkomponenterna med prestanda som överträffar dagens teknik.”

Under detta samarbete utvecklade forskarna en process som omvandlade kolkol till extremt små kolskivor, som kallas “kolnanodroppar”. 

Som forskargruppen visade kan dessa nanoskaliga kolskivor kopplas ihop för att skapa atomtunna membran. Dessa membran kan användas i teknologier som tvådimensionella (2D) transistorer och memristorer. Enligt forskarna kommer dessa teknologier att vara avgörande för att bygga mer effektiva elektroniska enheter.

Medan kolbaserade material, oavsett om det är traditionellt industriellt kol som kolsvart eller nytt industriellt kol som grafit och kolfibrer, spelar betydande roller i materialvetenskapens utveckling, kan makroskopiskt kolmaterial egentligen inte användas som ett effektivt fluorescerande material på grund av avsaknad av lämpligt bandgap. Här har kolnanodroppar (CDs) framträtt som en lovande lösning.

Kolnanodroppar eller CDs är en ny typ av kolbaserat nanomaterial som har fått mycket uppmärksamhet och forskningsintresse på grund av sina mångsidiga fysikalisk‑kemiska egenskaper. Kolnanodroppar är noggrant framställda och är vanligtvis mindre än 10 nm i storlek. Detta kolbaserade nanomaterial har egenskaper som liten storlek, miljövänlighet, låg kostnad, låg toxicitet, hög stabilitet, god biokompatibilitet, elektronrörlighet, hög kvantavkastning, rikliga funktionella grupper och unika optiska egenskaper, inklusive stark absorption, fotoluminiscens och fosforescens.

Alla dessa egenskaper gör detta nya material i kolfamiljen så populärt och har många tillämpningar. Detta inkluderar:

• Sensorer
• Informationskryptering
• Fotokatalys
• Ljusemitterande dioder
• Kemisk avkänning
• Solceller
• Superkondensatorer
• Uppladdningsbara batterier
• Bioavbildning
• Fototerapi
• Gendelivery
• Drudge-leverans
• Explosivdetektering
• Nanomedicin
• Livsmedelssäkerhet
• Antiförfalskning

Lär dig hur metan kan vara nyckeln till att nå klimatmålen.

Kol kommer att spela en avgörande roll i nästa generations elektronik 

Forskare och vetenskapsmän runt om i världen har arbetat med att skapa mindre, snabbare och mer avancerad elektronik. Detta innebär att enheter tillverkade med material som bara är en eller två atomer tjocka fungerar mycket snabbare och förbrukar mycket mindre energi. 

För dessa enheter har många studier gjorts kring ultratunna semiconductors, men nu behövs omfattande forskning på atomtunna isolatorer för att konstruera fungerande elektroniska enheter som transistorer och memristorer.

När det gäller material delas de in i ledare, halvledare och isolatorer baserat på deras förmåga att leda en elektrisk ström. Material som koppar, mässing, stål, guld och aluminium som lätt leder elektricitet på grund av låg elektrisk resistivitet kallas ledare. 

Isolatorer är material som glas, luft, trä, plast och gummi, som inte lätt leder elektricitet. Samtidigt har material som kisel (Si), germanium (Ge) och selen (Se), samt föreningar som galliumarsenid (GaAs) och indiumantimonid (InSb), ett elektriskt ledningsvärde som ligger mellan en ledare och en isolator.

En halvledares resistans minskar när temperaturen stiger, medan en halvledares ledningsförmåga ökar när temperaturen ökar.

Isolatorer har ett brett spektrum av tillämpningar, inklusive väggisolering för att reglera värmeflödet, ugnsisolering för termiska och dielektriska barriärer, ljudisolering för att förhindra störningar samt elektrisk isolering i hushållens kretsar och kondensatorer i kommersiella och konsumentprodukter. Halvledare finns också överallt, såsom små transistorer som finns i nästan alla enheter vi använder och solceller som används i solpaneler för att omvandla solljus till elektricitet.

I isolatorer är energigapet mellan valens- och ledningsbandet mycket stort (ungefär 15 eV) medan i en halvledare är detta gap mycket litet (ungefär 1 eV). 

Enligt den senaste studien kan atomtunna kolskikt med oordnade atomstrukturer fungera som en utmärkt isolator för konstruktion av 2D‑enheter, vilka teamet skapade från kolkol‑avledda kolnanodroppar.

Nu, för att visa potentialen hos kolavledda kolskikt, använde forskarna dem som gate‑dielektrik i 2D‑transistorer. Byggda på halvledaren molybdenumdisulfid skapade teamet en enhet med en driftshastighet mer än dubbelt så hög med lägre energiförbrukning.

Dessa kolavledda kolskikt har inga “hängande bindningar”, som är vanliga på konventionella 3D‑isolatorers ytor. Genom att effektivt fungera som “fällor” förändrar de 3D‑isolatorers elektriska egenskaper, vilket saktar ner transporten av mobila laddningar och påverkar transistorns växlingshastighet.

Dock, de nya kolavledda kolskikten, till skillnad från andra atomtunna material, är amorfa, och oönskade elektriska strömmar flödar genom isolatorn, vilket leder till betydande extra energiförbrukning under enhetsdrift. Herr Qing Cao sade:

“Det är verkligen spännande, för detta är första gången som kol, något vi normalt ser som lågteknologiskt, har kopplats direkt till framkant av mikroelektronik.”

En annan tillämpning som forskarna demonstrerade är memristorer, elektroniska komponenter som kan lagra och bearbeta data, vilket avsevärt förbättrar implementeringen av artificiell intelligens (AI). Dessa enheter lagrar och representerar data genom att modulera en ledande filament.

Genom att använda kolskikt som är ultratunna som isolator kunde forskarna uppnå snabb bildning av sådana filament med låg energiförbrukning, vilket gjorde att enheten kunde fungera med hög hastighet och låg effekt. Dessutom fångar atomstorlekens ringar i dessa kolavledda kolskikt filamentet för att förbättra den reproducerbara enhetsdriften och öka tillförlitligheten för datalagring.

Dessa nya enheter visar att kolkol‑avledda kolskikt kan användas i 2D‑enheter. I nästa steg kommer det gemensamma arbetet att gå mot att utveckla en “tillverkningsprocess för kolbaserade kolisolatorer” som kan tillämpas i stor skala.

Utnyttja det nya tillvägagångssättet 

Medan världen övergår från kol på grund av ett ökande fokus på att minska växthusgasutsläppen, kan den pågående forskningen i branschen för att omvärdera kol se olika industrier, såsom halvledartillverkare, utnyttja dess nya former i framtiden. Så låt oss titta på några av de företag som kan anta sådana tillvägagångssätt.

#1. Taiwan Semiconductor Manufacturing 

Detta är världens största chipstillverkare som använder de mest avancerade process‑teknologierna i branschen. Taiwan Semiconductor Manufacturing Co. är känt för att betjäna behoven hos många högprofilerade kunder, inklusive NVIDIA (NVDA ), AMD, Intel (INTC ) och Apple. Företagets produktapplikationsområde täcker den breda elindustrin, och det har sakta expanderat över hela världen med fabriker spridda över tre kontinenter.

Med ett marknadsvärde på 530,26 miljarder dollar handlas TSM-aktier för närvarande till 101,40 $, ned 1,69 % år‑till‑datum (YTD). Företaget rapporterade en omsättning för de senaste tolv månaderna (TTM) på 69,84 miljarder dollar samt EPS (TTM) på 5,36, P/E (TTM) på 19,08 och ROE (TTM) på 29,43 %. Taiwan Semiconductor Manufacturing betalar också en utdelningsavkastning på 1,88 %.

#2. NVIDIA Corporation 

Detta företag utvecklar hårdvara och mjukvara för spel, bärbara datorer, datacenter och appar och är särskilt känt för att skapa grafikprocessorer (GPU:er) för en rad olika tillämpningar, inklusive spel, kryptomining och AI. 

Senast presenterade Nvidia sin nya stationära grafikprocessor, GeForce RTX 40 SUPER Series, för videospelsentusiaster samt för att köra AI‑applikationer lokalt. Nvidia expanderar också sin närvaro i Kinas EV‑sektor genom att meddela att fyra kinesiska EV‑märken kommer att använda deras teknik för automatiserade körsystem.

Med ett marknadsvärde på 1,29 biljon dollar handlas NVDA-aktier för närvarande till 522,58 $, upp 5,5 % år‑till‑datum (YTD). Företaget rapporterade en omsättning för de senaste tolv månaderna (TTM) på 44,87 miljarder dollar samt EPS (TTM) på 7,57, P/E (TTM) på 68,99 och ROE (TTM) på 69,17 %. Nvidia betalar också en utdelningsavkastning på 0,03 %.

#3. Advanced Micro Devices, Inc. 

Denna CPU‑ och GPU‑designer är ett av de största chipföretagen som nyligen annonserade Ryzen 8000G-serien, med Ryzen 7 8700G i spetsen, som AMD säger har den snabbaste integrerade grafikacceleratorn. Samtidigt riktar Advanced Micro Devices (AMD ) senaste GPU, Radeon-serien, sig till den lägre och mellanklassen av spelarmarknaden.

Med ett marknadsvärde på 236,154 miljarder dollar handlas AMD-aktier för närvarande till 145,21 $, ned 0,83 % år‑till‑datum (YTD). Företaget rapporterade en omsättning för de senaste tolv månaderna (TTM) på 22,11 miljarder dollar samt EPS (TTM) på 0,13, P/E (TTM) på 1 152,84 och ROE (TTM) på 0,38 %.

Slutsats

Så, som vi kan se, omvandlas kolindustrin med forskare och vetenskapsmän som arbetar med att avslöja dess värde och den roll den spelar genom att skapa kolnanodroppar som visar unika egenskaper som kan göra dem mycket användbara i nästa generations elektroniska enheter. På så sätt kan kolindustrin hjälpa till att forma framtiden för elektroniska teknologier på ett hållbart sätt.