En potentiell källa till förnybar energi är vätgas som produceras av vatten med hjälp av solljus. Forskare vid Linköpings universitet, Sverige, har utvecklat ett material, nanoporös kubisk kiselkarbid, som uppvisar lovande egenskaper för att fånga solenergi och dela vatten för vätgasproduktion. Studien har publicerats i tidskriften ACS Nano .

"Nya hållbara energisystem behövs för att möta globala energi- och miljöutmaningar, som ökade koldioxidutsläpp och klimatförändringar, " säger Jianwu Sun, universitetslektor vid institutionen för fysik, Kemi och biologi vid Linköpings universitet, som har lett den nya studien.

Vätgas har en energitäthet som är tre gånger så stor som bensin. Den kan användas för att generera elektricitet med hjälp av en bränslecell, och vätgasdrivna bilar finns redan kommersiellt tillgängliga. När vätgas används för att producera energi, den enda produkt som bildas är rent vatten. I kontrast, dock, koldioxid skapas när vätet produceras, eftersom den mest använda tekniken som används idag är beroende av fossila bränslen för processen. Således, 9-12 ton koldioxid släpps ut när 1 ton vätgas produceras.

Att producera vätgas genom att klyva vattenmolekyler med hjälp av solenergi är ett hållbart tillvägagångssätt som skulle kunna ge vätgas med förnybara källor utan att leda till koldioxidutsläpp. En stor fördel med denna metod är möjligheten att omvandla solenergi till bränsle som kan lagras.

"Konventionella solceller producerar energi under dagtid, och energin måste antingen användas omedelbart, eller lagras i, till exempel, batterier. Vätgas är en lovande energikälla som kan lagras och transporteras på samma sätt som traditionella bränslen som bensin och diesel, säger Jianwu Sun.

Det är det inte, dock, en enkel uppgift att dela vatten med hjälp av energin i solljus för att ge vätgas. För att detta ska lyckas, det är nödvändigt att hitta kostnadseffektiva material som har rätt egenskaper för reaktionen där vatten (H2O) spjälkas till väte (H2) och syre (O2) genom fotoelektrolys. Energin i solljus som kan användas för att klyva vatten är till största delen i form av ultraviolett strålning och synligt ljus. Därför, Det krävs ett material som effektivt kan absorbera sådan strålning för att skapa laddningar som kan separeras och har tillräckligt med energi för att dela upp vattenmolekylerna till väte och syrgas. De flesta material som har undersökts hittills är antingen ineffektiva i det sätt de använder energin från synligt solljus (titandioxid, TiO2, till exempel, absorberar endast ultraviolett solljus), eller inte har de egenskaper som behövs för att dela vatten till vätgas (t.ex. kisel, Si).

Jianwu Suns forskargrupp har undersökt kubisk kiselkarbid, 3C-SiC. Forskarna har producerat en form av kubisk kiselkarbid som har många extremt små porer. Materialet, som de kallar nanoporös 3C-SiC, har lovande egenskaper som tyder på att den kan användas för att producera vätgas från vatten med solljus. Den aktuella studien har publicerats i tidskriften ACS Nano , och i den visar forskarna att detta nya porösa material effektivt kan fånga och skörda ultraviolett ljus och det mesta av det synliga solljuset. Vidare, den porösa strukturen främjar separationen av laddningar som har den nödvändiga energin, medan de små porerna ger en större aktiv yta. Detta förbättrar laddningsöverföringen och ökar antalet reaktionsställen, vilket ökar effektiviteten för vattendelning ytterligare.

"Det huvudsakliga resultatet vi har visat är att nanoporös kubisk kiselkarbid har en högre laddningsseparationseffektivitet, vilket gör uppdelningen av vatten till väte mycket bättre än när man använder plan kiselkarbid, säger Jianwu Sun.