Strukturella modeller av två kluster som möjliggör vattendelning i O2 och H2 med hjälp av ljusenergi. Kredit:Wiens tekniska universitet
Vätgas kan bli en viktig del av vår framtida energiförsörjning:Det kan lagras, transporteras och brännas efter behov. Men det mesta av det väte som finns tillgängligt idag är en biprodukt av naturgasproduktion, och detta måste ändras av klimatskyddsskäl. Den bästa strategin hittills för att producera miljövänligt "grönt väte" är att dela upp vatten till väte och syre med hjälp av el som kommer från förnybara energikällor, till exempel solceller.
Det skulle dock vara mycket lättare om solljus kunde användas direkt för att dela vatten. Det är precis vad nya katalysatorer nu möjliggör, i en process som kallas "fotokatalytisk vattenklyvning". Konceptet används ännu inte industriellt. Vid TU Wien har viktiga steg nu tagits i denna riktning:i atomär skala har forskare insett en ny kombination av molekylära och fasta tillståndskatalysatorer som kan göra jobbet samtidigt som de använder relativt billiga material.
Atomers interaktion
"Faktiskt, för att kunna dela vatten med ljus måste du lösa två uppgifter samtidigt", säger Alexey Cherevan från Institutet för materialkemi vid TU Wien. "Vi måste tänka på syre och på väte. Vattnets syreatomer måste omvandlas till O2 molekyler och de återstående vätejonerna – som bara är protoner – måste omvandlas till H2-molekyler."
Lösningar har nu hittats för båda uppgifterna. Små oorganiska kluster som endast består av ett litet antal atomer är förankrade på en yta av ljusabsorberande stödstrukturer som titanoxid. Kombinationen av kluster och noggrant utvalda halvledarstöd leder till önskat beteende.
De kluster som ansvarar för att oxidera syre består av kobolt, volfram och syre, medan kluster av svavel och molybden är särskilt lämpliga för att skapa vätemolekyler. Forskarna vid TU Wien var de första att deponera dessa kluster på en yta gjord av titanoxid, där de kan fungera som katalysatorer för vattenspjälkning.
"Titanoxid är känslig för ljus, det var redan välkänt", säger Alexey Cherevan. "Det absorberade ljusets energi leder till skapandet av fritt rörliga elektroner och fritt rörliga positiva laddningar i titanoxiden. Dessa laddningar tillåter sedan de kluster av atomer som sitter på denna yta att underlätta uppdelningen av vatten till syre och väte. "
Exakt kontroll, atom för atom
"Andra forskargrupper som arbetar med att klyva vatten med ljus förlitar sig på nanopartiklar som kan anta mycket olika former och ytegenskaper", förklarar Alexey Cherevan. "Storlekarna är svåra att kontrollera, atomerna är inte riktigt ordnade på samma sätt. Därför är det i det här fallet inte möjligt att förklara exakt hur katalysprocessen går till i detalj." Vid TU Wien, å andra sidan, bestäms den exakta strukturen av klustren med atomär precision, vilket möjliggör en fullständig förståelse av den katalytiska cykeln.
"Detta är det enda sättet att få feedback om vad effektiviteten i processen verkligen beror på", säger Alexey Cherevan. "Vi vill inte bara förlita oss på ett försök och misstag och prova olika nanopartiklar tills vi hittar den bästa - vi vill ta reda på på atomnivå vad den optimala katalysatorn verkligen är."
Nu när de utvalda materialen har visat sig vara lämpliga för att klyva vatten, är nästa steg att ytterligare justera deras exakta struktur för att uppnå ännu högre effektivitet.
Enkelt och lovande
"Den avgörande fördelen med vår metod jämfört med att klyva vatten genom elektrolys är dess enkelhet," betonar Alexey Cherevan. Elektrisk väteproduktion behöver först en hållbar energikälla — som solceller, eventuellt en lagringsenhet för elektrisk energi och en elektrolyscell. Sammantaget resulterar detta i ett relativt komplext system bestående av en mängd råvaror. För fotokatalytisk vattenklyvning, å andra sidan, behövs bara en lämpligt belagd yta som täcks av vatten och strålas av solen.
På lång sikt skulle denna metod också kunna användas för att producera mer komplicerade molekyler med hjälp av konceptet artificiell fotosyntes. Det kan till och med vara möjligt att använda energin från solstrålningen för att producera kolväten med koldioxid från atmosfären och vattnet, som sedan kan användas för andra tillämpningar.
De associerade studierna visas i ACS Catalysis och ACS Materials Au . + Utforska vidare
