Lys i stedet for elektricitet:En ny slags grøn brint

Brint kan blive en vigtig del af vores fremtidige energiforsyning:Det kan opbevares, transporteres og brændes efter behov. Men det meste af den brint, der er tilgængelig i dag, er et biprodukt af naturgasproduktion, og dette skal ændres af klimabeskyttelsesmæssige årsager. Den hidtil bedste strategi til at producere miljøvenlig "grøn brint" er at spalte vand i brint og ilt ved hjælp af elektricitet, der kommer fra vedvarende energikilder, for eksempel solcelleceller.

Det ville dog være meget nemmere, hvis sollys kunne bruges direkte til at spalte vand. Det er præcis, hvad nye katalysatorer nu gør muligt, i en proces kaldet "fotokatalytisk vandspaltning." Konceptet er endnu ikke brugt industrielt. På TU Wien er der nu taget vigtige skridt i denne retning:På atomær skala har forskere realiseret en ny kombination af molekylære og faststofkatalysatorer, der kan klare opgaven, mens de bruger relativt billige materialer.

Samspil mellem atomer

"Faktisk skal man løse to opgaver på samme tid for at kunne spalte vand med lys," siger Alexey Cherevan fra Institut for Materialekemi ved TU Wien. "Vi skal tænke på ilt og på brint. Vandets iltatomer skal omdannes til O₂ molekyler, og de resterende hydrogenioner – som kun er protoner – skal omdannes til H2-molekyler."

Der er nu fundet løsninger til begge opgaver. Små uorganiske klynger, der kun består af et lille antal atomer, er forankret på en overflade af lysabsorberende støttestrukturer såsom titaniumoxid. Kombinationen af ​​klynger og omhyggeligt udvalgte halvlederstøtter fører til den ønskede adfærd.

De klynger, der er ansvarlige for at oxidere ilt, består af kobolt, wolfram og ilt, mens klynger af svovl og molybdæn er særligt velegnede til at skabe brintmolekyler. Forskerne ved TU Wien var de første til at deponere disse klynger på en overflade lavet af titaniumoxid, hvor de kan fungere som katalysatorer for vandspaltning.

"Titaniumoxid er følsomt over for lys, det var allerede velkendt," siger Alexey Cherevan. "Det absorberede lyss energi fører til dannelsen af ​​fritbevægelige elektroner og fritbevægelige positive ladninger i titaniumoxidet. Disse ladninger tillader så de klynger af atomer, der sidder på denne overflade, at lette spaltningen af ​​vand til ilt og brint. "

Nøjagtig kontrol, atom for atom

"Andre forskergrupper, der arbejder med at spalte vand med lys, er afhængige af nanopartikler, der kan antage meget forskellige former og overfladeegenskaber," forklarer Alexey Cherevan. "Størrelserne er svære at kontrollere, atomerne er ikke helt arrangeret på samme måde. Derfor er det i dette tilfælde ikke muligt at forklare præcis, hvordan katalyseprocessen foregår i detaljer." På TU Wien, på den anden side, er den nøjagtige struktur af klyngerne bestemt med atomær præcision, hvilket giver en fuld forståelse af den katalytiske cyklus.

"Dette er den eneste måde at få feedback på, hvad effektiviteten af ​​processen virkelig afhænger af," siger Alexey Cherevan. "Vi ønsker ikke bare at stole på en trial and error-tilgang og prøve forskellige nanopartikler, indtil vi finder den bedste - vi vil gerne finde ud af på atomniveau, hvad den optimale katalysator egentlig er."

Nu hvor de udvalgte materialer har vist sig at være egnede til at spalte vand, er næste skridt at justere deres nøjagtige struktur yderligere for at opnå endnu højere effektivitet.

Simpelt og lovende

"Den afgørende fordel ved vores metode i forhold til at spalte vand ved elektrolyse er dens enkelhed," understreger Alexey Cherevan. Elektrisk brintproduktion kræver først en bæredygtig energikilde - såsom fotovoltaiske celler, muligvis en elektrisk energilagringsenhed og en elektrolysecelle. Alt i alt resulterer det i et relativt komplekst system bestående af et væld af råvarer. Til fotokatalytisk vandspaltning er der derimod kun brug for en passende belagt overflade, der er dækket af vand og bestrålet af solen.

På længere sigt kan denne metode også bruges til at producere mere komplicerede molekyler ved hjælp af konceptet kunstig fotosyntese. Det kan endda være muligt at bruge energien fra solstråling til at producere kulbrinter med kuldioxid fra atmosfæren og vand, som så kan bruges til andre formål.

De tilknyttede undersøgelser vises i ACS Catalysis og ACS Materials Au . + Udforsk yderligere

Katalysatoroverflade analyseret ved atomopløsning