En forskargrupp från Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) har gått samman med franska forskare från Institute of Chemistry and Processes for Energy, Miljö och hälsa (ICPEES), ett gemensamt forskningslaboratorium från CNRS och University of Strasbourg, att bana väg för produktion av grönt väte. Detta internationella team har utvecklat nya solljus-ljuskänsliga nanostrukturerade elektroder. Resultaten av deras forskning publicerades i november 2020 -numret av journal of Solenergimaterial och solceller .

En energiovergångsvektor

Vätgas anses av flera länder i Organisationen för ekonomiskt samarbete och utveckling (OECD) som en nyckelspelare i övergången till koldioxidfria industrier och sektorer. Enligt INRS -professor My Ali El Khakani, Quebec skulle strategiskt kunna positionera sig i framtidens energisektor. "Tack vare högpresterande nanomaterial, vi kan förbättra effektiviteten av vattendissociation för att producera väte. Detta "rena" bränsle blir allt viktigare för avkolning av tunga lastbilar och kollektivtrafik. Till exempel, bussar som använder väte som bränsle är redan i drift i flera europeiska länder och i Kina. Dessa bussar släpper ut vatten istället för växthusgaser, "tillade fysikern och nanomaterialspecialisten.

Att dela upp vattenmolekyler i syre och väte har länge gjorts genom elektrolys. Dock, industriella elektrolysatorer är mycket energikrävande och kräver stora investeringar. INRS- och ICPEES-forskarna var snarare inspirerade av en naturlig mekanism:fotosyntes. Verkligen, de har utvecklat speciellt konstruerade och strukturerade elektroder som delar vattenmolekyler under solens ljus. Detta är en process som kallas fotokatalys.

För maximal användning av solenergi, forskarteamen har valt ut ett mycket rikligt och kemiskt stabilt material:titandioxid (TiO ₂ ). TiO ₂ är en halvledare som är känd för att vara ljuskänslig för UV-ljus, som bara står för 5% av solens strålning. Forskare har använt sin expertis inom området för att först ändra atomsammansättningen av TiO ₂ och utökar dess ljuskänslighet för synligt ljus. De kunde producera elektroder som kan absorbera upp till 50 % av ljuset som sänds ut av solen. En betydande vinst redan från början!

Forskarna har sedan gått vidare med nanostruktureringen av elektroden för att bilda ett nätverk av TiO ₂ nanorör som liknar en bikupaliknande struktur. Denna metod multiplicerade elektrodens effektiva ytarea med en faktor 100, 000 eller mer. "Nanostrukturering maximerar förhållandet mellan yta och volym av ett material. Till exempel, TiO ₂ nanostrukturer kan erbjuda en yta på upp till 50 m ² per gram. Det är ytan på en mellanstor lägenhet!" påpekade professor El Khakani.

Det sista steget i elektrodutarbetningen är deras "nanodekoration". Denna process består av avsättning av katalysatornanopartiklar på det annars oändliga nätverket av TiO ₂ nanorör för att öka deras effektivitet vid väteproduktion. För att uppnå detta nanodekorationssteg, forskarna använde laserablationens deponeringsteknik, ett område där professor El Khakani har utvecklat en unik expertis under de senaste 25 åren. Utmaningen var inte bara att kontrollera storleken, spridning och förankring av katalysator -nanopartiklar på TiO ₂ nanorörsmatris, men också för att hitta alternativ till de dyra iridium- och platinaklassiska katalysatorerna.

Denna forskning identifierade koboltoxid (CoO), ett material som är ganska tillgängligt i Quebecs underjordiska, som effektiva samkatalysatorer för splittring av vattenmolekyler. En jämförelse av de två materialen visade att CoO -nanopartiklar möjliggjorde en tiofaldig ökning av den fotokatalytiska effektiviteten hos dessa nya nanodekorerade elektroder under synligt ljus jämfört med nanorör.