Mathias har en kandidat fra DTU i fysik og nanoteknologi kombineret med økonomi og bæredygtighed. Da Mathias blev færdig som ingeniør i 2012, fik han arbejde i en lille virksomhed, hvor han var i to år, inden han fik tilbudt en ph.d.-stilling på DTU. Mathias har været i gang med sin ph.d. i to-et-halvt år, hvor han studerer Zink-luft-batterier, som typisk bliver brugt i høreapparater.
Mathias hørte om MAX4ESSFUN programmet gennem sin vejleder, Poul Norby, der er specialist i røntgendiffraktion, som er netop den teknik, Mathias har benyttet sig af i sit MAX4ESSFUN projekt. Som co-vejleder har Mathias fået tildelt Helmer Fjellvåg fra Oslo universitet.
Formålet, med at kortlægge hvad der sker inde i et zink-luft-batteri, er bl.a. at finde frem til, hvordan batteriets levetid kan forbedres. Mathias forskning har vist, at stoffet brint, har stor betydning for batteriets levetid. Mathias uddyber: ”I et Zink-luft-batteri reagerer Zink med hydroxid-ioner. Når hydroxid-ionerne reagerer med zink, bliver der pga. den kemiske ligevægt skabt noget brint. Brinten vil forsøge at binde sig til zinkoverfladen de samme steder, som hydroxid-ionerne forsøger at binde sig, og dette ønsker man at undgå, da det har vist sig, at der er en negativ proportionel sammenhæng mellem mængden af brint, der får mulighed for at binde sig til zinkoverfladen, og batteriets levetid”.
Mathias forskning har vist, at hvis man tilsætter en meget lav koncentration af nogle metal-ioner til blandingen i batteriet, f.eks. Indium eller Bismut, så bestemmer disse metal-ionerne, om det er hydroxid-ionerne eller brint-ionerne, der har lettest ved at binde sig til zinkoverfladen. Dette skyldes at Indium- og Bismut-atomerne på zink-overfladen ændrer på de lokale elektronenergier, så hydroxid bliver favoriseret over brint. Denne proces forsøges Mathias via synkrotronteknikker at kortlægge i mikroskala:
”Jeg undersøger, om det har en effekt på brintudledningen – får vi en mindre brintudvikling – hvis vi tilsætter en bestemt type af metaller til metalblokken”.
MAX4ESSFUN projekt om mængden af zink-oxid over tid
I sit MAX4ESSFUN projekt fokuserer Mathias udelukkende på at dokumentere produktionen af zink-oxid i zink-luft-batteriet. Ved hjælp af synkrotronteknikken på forskningsfaciliteten PETRA, studerer Mathias, hvordan zink-partiklerne bliver dækket af zink-oxid. Mathias forklarer, at det unikke ved teknikken på Petra er, at den muliggøre, at man kan scanne meget stærkt ned gennem sin prøve.
I selve forsøget scanner Mathias ned gennem zink-luft-batteriet med røntgenstråler og følger mængden af zink-oxid over tid. Helt konkret bliver denne måling udført hvert halvandet minut i 12-16 timer, for at kunne kortlægge udviklingen af mængden af zink-oxid. Mathias forklarer, at en synkrotron er meget brugbar til at studere, hvad der sker i batteriet, mens det er lukket: ”Med synkrotron kan man lave ekstrem hård stråling, som kan skyde igennem batteriet, mens det er lukket i stedet for at skulle modificere et batteri og hvilket kan have en masse uønskede konsekvenser for forsøget”, uddyber Mathias.
Sammenhængen mellem strøm og den hastighed zink-oxid dækker zink-partiklerne
I sit ph.d.-projekt undersøger Mathias også, om der er en sammenhængen mellem mængden af strøm, som et genopladeligt batteri bruger og aftager, overfor den hastighed som zink-partiklerne i zink-luft-batteriet bliver dækket af zink-oxid. For at kunne undersøge dette, tilsætter han en basisk elektrolyt (en elektrolyt er en væske der kan lede ioner, men ikke lede elektricitet), for at kunne betragte, hvordan zink-oxid-fasen ændrer sig over tid. En grundregel med genopladelige batterier er, at det kræver et større overpotentiale at oplade batteriet, hvilket vil sige, at batteriet arbejder lidt mere effektivt, når det aflades, end når det oplades. Mathias vil gerne finde ud af, om der er en sammenhæng mellem overpotentialet og hvordan zink-oxid’erne bliver opbygget og forsvinde igen:
”Når vi aflader batteriet, kommer der zink-oxid, og når batteriet oplades igen, bør denne mængde af zink-oxid i teorien forsvinde igen. Det, jeg gerne vil finde ud af, er, om de to hastigheder for opbygning og nedbrydning af zink-oxid er forskellige ift., om batteriet afgiver eller optager strøm, da det vil kunne sige noget om forholdet mellem den energi, man putter ind i et batteri, og hvor meget batteriet kan afgive, hvilket i sidste ende vil gøre det muligt at producere nogle endnu bedre batterier”.
ESS og MAX IV muliggør unikke og spændende forsøg
Mathias mener, at både ESS og MAX IV kan blive relevant for ham i fremtiden, da faciliteterne muliggør meget præcise forskningsresultater: ”Som højintensitets kilder muliggør ESS og MAX IV, at man kan lave nogle ret unikke og spændende forsøg, typisk fordi signalerne er så stærke, at man kan få utrolig præcise resultater. Det vil sige, at selvom man har utrolig små prøver, og selvom den effekt, man leder efter, er utrolig lille, så er det muligt at finde den, fordi teknikkerne er så stærke og avancerede”, uddyber Mathias
Det, der yderligere tiltaler Mathias ved den type af forskning, som kan udføres på ESS og MAX IV, er, at forskningsarbejdet ofte er stykket sammen af nogle meget intensive perioder, hvor man i et samarbejde med andre forskere arbejder non-stop for at opnå så meget brugbare data som muligt, når man har beamtime på en facilitet. Det giver ift. Mathias en følelse af sammenhold med de andre forskere på faciliteten.
Postdoc-stilling på DTU i CO2 reduktion
Når Mathias er færdig med sin Ph.d. har han en forhåbning om at få tildelt en postdoc-stilling på DTU til at forske i CO2-reduktion. Til denne form for forskning, vil det if. Mathias dog ikke være lige så relevant at anvende ESS og MAX IV: ”Uden at være ekspert, så ved jeg, at jeg skal studere, hvad der sker på overfladen af materialer, hvor ESS og MAX IV er bedre til at se, hvad der sker inde i materialer. Så det bliver nok desværre lidt svært at kombinere min kommende forskning med forsøg udført med neutronspredning og røntgenstråling”, forklarer Mathias.
Hvis Mathias en dag bliver træt af at forske, har han en drøm om at søge ind i industrien og arbejde med materialeudvikling eller udvikling af katalysatorer.