Enligt vissa uppskattningar, mängden solenergi som når jordens yta på ett år är större än summan av all energi vi någonsin skulle kunna producera med hjälp av icke-förnybara resurser. Tekniken som krävs för att omvandla solljus till elektricitet har utvecklats snabbt, men ineffektivitet i lagring och distribution av den kraften har förblivit ett betydande problem, gör solenergi opraktisk i stor skala. Dock, ett genombrott av forskare vid UVAs College och Graduate School of Arts &Sciences, California Institute of Technology och det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory och Brookhaven National Laboratory skulle kunna eliminera ett kritiskt hinder från processen, en upptäckt som representerar ett gigantiskt steg mot en framtid med ren energi.

Ett sätt att utnyttja solenergi är att använda solel för att dela upp vattenmolekyler till syre och väte. Vätgas som produceras av processen lagras som bränsle, i en form som kan överföras från en plats till en annan och användas för att generera kraft vid behov. För att dela vattenmolekyler i sina beståndsdelar, en katalysator är nödvändig, men de katalytiska materialen som för närvarande används i processen, även känd som syreutvecklingsreaktionen, inte är tillräckligt effektiva för att göra processen praktisk.

Med hjälp av en innovativ kemisk strategi utvecklad vid UVA, dock, ett team av forskare ledda av kemiprofessorerna Sen Zhang och T. Brent Gunnoe har tagit fram en ny form av katalysator med hjälp av elementen kobolt och titan. Fördelen med dessa grundämnen är att de är mycket rikligare i naturen än andra vanligt använda katalytiska material som innehåller ädelmetaller som iridium eller rutenium.

"Den nya processen innebär att man skapar aktiva katalytiska platser på atomnivå på ytan av titanoxidnanokristaller, en teknik som producerar ett hållbart katalytiskt material och ett som är bättre på att trigga syreutvecklingsreaktionen." sade Zhang. "Nya tillvägagångssätt för effektiva syreutvecklingsreaktionskatalysatorer och förbättrad grundläggande förståelse för dem är nyckeln till att möjliggöra en möjlig övergång till skalad användning av förnybar solenergi. Detta arbete är ett perfekt exempel på hur man kan optimera katalysatoreffektiviteten för ren energiteknik genom att ställa in nanomaterial på atomär skala."

Enligt Gunnoe, "Denna innovation, centrerad på prestationer från Zhang-labbet, representerar en ny metod för att förbättra och förstå katalytiska material med en resulterande ansträngning som involverar integrering av avancerad materialsyntes, atomär nivåkarakterisering och kvantmekanikteori."

"Många år sedan, UVA gick med i MAXNET Energy-konsortiet, består av åtta Max Planck-institut (Tyskland), UVA och Cardiff University (Storbritannien), som sammanförde internationella samarbetsinsatser fokuserade på elektrokatalytisk vattenoxidation. MAXNET Energy var fröet till de nuvarande gemensamma ansträngningarna mellan min grupp och Zhang-labbet, som har varit och fortsätter att vara ett fruktbart och produktivt samarbete, sa Gunnoe.

Med hjälp av Argonne National Laboratory och Lawrence Berkeley National Laboratory och deras toppmoderna synkrotronröntgenabsorptionsspektroskopi, som använder strålning för att undersöka materiens struktur på atomnivå, forskargruppen fann att katalysatorn har en väldefinierad ytstruktur som gör det möjligt för dem att tydligt se hur katalysatorn utvecklas under tiden av syreutvecklingsreaktionen och gör det möjligt för dem att noggrant utvärdera dess prestanda.

"Arbetet använde röntgenstrålar från den avancerade fotonkällan och den avancerade ljuskällan, inklusive en del av ett "snabbåtkomst"-program som är avsatt för en snabb återkopplingsslinga för att utforska framväxande eller angelägna vetenskapliga idéer, " sa Argonne röntgenfysiker Hua Zhou, en medförfattare på tidningen. "Vi är mycket glada över att båda nationella vetenskapliga användaranläggningarna kan bidra väsentligt till ett sådant smart och snyggt arbete med vattendelning som kommer att ge ett steg framåt för ren energiteknik."

Både den avancerade fotonkällan och den avancerade ljuskällan är U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facilities belägna vid DOE:s Argonne National Laboratory och Lawrence Berkeley National Laboratory, respektive.

Dessutom, forskare vid Caltech, med hjälp av nyutvecklade kvantmekaniska metoder kunde man exakt förutsäga hastigheten för syreproduktionen orsakad av katalysatorn, vilket gav teamet en detaljerad förståelse av reaktionens kemiska mekanism.

"Vi har utvecklat nya kvantmekaniska tekniker för att förstå reaktionsmekanismen för syreutveckling i mer än fem år, men i alla tidigare studier, vi kunde inte vara säkra på den exakta katalysatorstrukturen. Zhangs katalysator har en väldefinierad atomstruktur, och vi finner att våra teoretiska resultat är, väsentligen, i exakt överensstämmelse med experimentella observerbara, sade William A. Goddard III, professor i kemi, materialvetenskap, och tillämpad fysik vid Caltech och en av projektets huvudutredare. "Detta ger den första starka experimentella valideringen av våra nya teoretiska metoder, som vi nu kan använda för att förutsäga ännu bättre katalysatorer som kan syntetiseras och testas. Detta är en viktig milstolpe mot global ren energi."

"Detta arbete är ett bra exempel på UVAs och andra forskares lagarbete för att arbeta för ren energi och de spännande upptäckterna som kommer från dessa tvärvetenskapliga samarbeten, sa Jill Venton, ordförande för UVA:s institution för kemi.