AI & computing › Neuromorfe & fotonische chips
Nieuwe katalysator breekt hardnekkig broeikasgas uit chipfabrieken sneller af
Zuid-Koreaanse onderzoekers hebben een katalysator ontwikkeld die het extreem sterke broeikasgas CF4 veel efficiënter en langduriger afbreekt dan bestaande technieken. Het gas komt vrij bij de productie van computerchips en is meer dan 6.000 keer schadelijker voor het klimaat dan CO2.
Bij de productie van computerchips wordt vaak het gas tetrafluormethaan (CF4) gebruikt om piepkleine circuits in siliciumplakjes te etsen. Het probleem: CF4 is een extreem hardnekkig broeikasgas. Het is meer dan 6.000 keer schadelijker voor het klimaat dan CO2 en kan, eenmaal in de atmosfeer, ruim 50.000 jaar blijven hangen. Chipfabrieken proberen het gas daarom met stoom en een katalysator af te breken voordat het ontsnapt.
Waarom bestaande katalysatoren tekortschieten
Dat afbreken lukt tot nu toe maar ten dele. Bij de reactie ontstaat waterstoffluoride, dat samen met vocht een agressieve, corrosieve omgeving vormt. Daardoor klonteren de fijne deeltjes van gangbare katalysatoren, meestal gemaakt van aluminiumoxide, na verloop van tijd samen. Het werkzame oppervlak krimpt, en de katalysator verliest zijn kracht. In de praktijk betekent dit dat chipfabrieken hun katalysatoren regelmatig moeten vervangen.
Vijf metalen in één kristal
Een onderzoeksteam van het Korea Advanced Institute of Science and Technology (KAIST), onder leiding van professor Minkee Choi en in samenwerking met Samsung Electronics, vond een oplossing in wat de onderzoekers de "kracht van wanorde" noemen. Door vijf verschillende metalen – aluminium, zink, gallium, nikkel en kobalt – gelijkmatig te mengen in één aluminaat-kristalstructuur ontstaat een chaotische, maar juist daardoor stabiele opbouw. Dit principe heet entropiestabilisatie: hoe meer verschillende atomen door elkaar zitten, hoe lastiger het voor het materiaal wordt om samen te klonteren of van vorm te veranderen. Het resultaat noemen de onderzoekers een entropy-stabilized aluminate (ESA) katalysator.
De cijfers zijn overtuigend. De nieuwe katalysator breekt CF4 ongeveer 2,3 keer sneller af dan een gewone aluminiumoxide-katalysator. Belangrijker nog is de duurzaamheid: in een versnelde test bij ongeveer 800 graden Celsius, 150 uur lang, zakte de omzetting van CF4 bij de gangbare katalysator van 93 naar 48 procent. De nieuwe ESA-katalysator daalde in diezelfde periode slechts van 98 naar 92 procent.
Zuurstof als interne voorraadkast
Met behulp van zuurstofisotopen — atomen van hetzelfde element met een net iets andere massa, waardoor je hun beweging kunt volgen — ontdekten de onderzoekers ook hoe de afbraak precies verloopt. De katalysator gebruikt eerst zuurstof uit zijn eigen kristalstructuur om CF4 te ontleden. Vervolgens vult stoom uit de omgeving die zuurstofvoorraad weer aan, als een soort intern bijvultanksysteem. Deze werking was eerder alleen in theorie voorspeld; nu is ze voor het eerst experimenteel bevestigd.
Volgens Choi is de betekenis van het onderzoek breder dan alleen deze ene katalysator. Door het aantal en type metalen in het mengsel te variëren, denkt het team dat dezelfde aanpak ook bruikbaar is voor andere schadelijke procesgassen die in halfgeleiderfabrieken worden gebruikt. De studie verscheen in juni in het vakblad Angewandte Chemie International Edition.
Achtergrond & begrippen
Wat betekent dit voor de toekomst? Als chipfabrieken minder CF4 laten ontsnappen, daalt de klimaatimpact van de halfgeleiderindustrie aanzienlijk, aangezien dit gas duizenden keren schadelijker is dan CO2 en tienduizenden jaren blijft hangen. Het ontwerpprincipe van de KAIST-onderzoekers kan bovendien de basis vormen voor een hele familie van stabielere katalysatoren voor andere industriële restgassen.
- CF4 (tetrafluormethaan)
- Een gas dat wordt gebruikt bij het etsen van chipcircuits en dat meer dan 6.000 keer sterker bijdraagt aan opwarming dan CO2.
- Katalysator
- Een stof die een chemische reactie versnelt zonder er zelf blijvend door te veranderen.
- Entropiestabilisatie
- Een ontwerpprincipe waarbij het gelijkmatig mengen van meerdere soorten atomen een materiaal juist stabieler maakt, omdat de wanorde structuurveranderingen tegenwerkt.
- Hydrolyse
- Een chemische reactie waarbij een stof wordt afgebroken door reactie met water, in dit geval CF4 met stoom.
- Hoge-entropie-oxide
- Een materiaalklasse waarin meerdere metaaloxiden gemengd worden tot één stabiele kristalstructuur, wat de basis vormt voor de nieuwe katalysator.
- Aluminaat
- Een verbinding waarin metalen samen met aluminium en zuurstof een kristalrooster vormen.
- Droog etsen
- Een techniek waarbij gassen worden gebruikt om ongewenste delen van een siliciumwafer weg te halen en zo fijne chipcircuits te maken.
- Isotoop
- Een variant van een chemisch element met hetzelfde aantal protonen maar een ander aantal neutronen, waardoor onderzoekers de beweging van specifieke atomen kunnen volgen.
Bronnen
Dit artikel is met behulp van AI geschreven op basis van bovenstaande bronnen en is geen letterlijke vertaling. Zo werkt onze redactie.
