Uusia tehokkaita nanokatalyyttejä auringonvalolla valmistetun vetyenergian tuottamiseksi

Vety on päästöiltään puhtain ihmisen käytössä oleva polttoaine. Jos vety vielä tuotetaan mahdollisimman puhtaasti, esimerkiksi suoraan auringon valolla, on se myös täysin uusiutuvaa. Käytännössä vety olisi näin täysin hiiletön vaihtoehto ja voisi syrjäyttää kestävämmällä vaihtoehdolla hiilipohjaisten energialähteiden käyttöä. Nykyään kaupallisesti tarjolla oleva vety tuotetaan käytännössä lähes kokonaan uusiutumattomasta maakaasusta reformoinnilla. Maakaasusta tuotettu vety tuo mukanaan ilmastoa muuttavia hiilidioksidipäästöjä (CO2).

Vedyn huikea potentiaali täysin puhtaana ja uusiutuvana energialähteenä on tunnistettu puoli vuosisataa sitten, jolloin tutkijat ovat alun perin ultraviolettivalolla onnistuneet fotokatalyyttisesti tuottamaan puhdasta vetyä. Suuressa mittakaavassa fotokatalyysin hyödyntäminen ei ole edennyt, koska fotokatalyysin hyötysuhde on vielä toistaiseksi ollut liian heikko.

Tutkijat ympäri maailmaa ovat kuitenkin kiihtyvään tahtiin tutkineet ja kehittäneet erilaisia synteettisiä fotokatalyyttimateriaaleja, joilla hyötysuhdetta saataisiin paremmaksi ja auringolla tuotettavan vedyn hinta kilpailukykyiseksi. Kiinnostus on nimenomaan kehittää näkyvällä valolla toimivia katalyyttejä, koska näin valon sisältämästä energiasta voitaisiin hyödyntää merkittävä osa.

NANOMOn tutkijoiden kehittämät katalyytit pohjautuvat nanomittakaavan heteroliitospuolijohde –komposiittirakenteisiin. Katalyytti kerää energiaa näkyvästä valosta, käyttää energian vesimolekyylien (H2O) hajottamiseen ja kahden vetyatomin vetymolekyylin muodostamiseen. Prosessissa vapautuu myös pieni määrä happea. Katalyytissä on perustana puolijohdemateriaali ja johtava metalli. Puolijohde kerää energiaa valosta ja hapettaa veden sekä siirtää elektroneja puolijohde-johde -liitosrajapinnan yli johteeseen, jossa vetyionipari (2H+) pelkistyy vetymolekyyliksi (H2). Katalyytin toiminnan kannalta on tärkeää, että kaikki vaiheet toimivat mahdollisimman hyvin.

Tutkituissa katalyyteissä fotokatalyyttisen vedyn tuottamisen haasteita ovat tehokas auringon valon eli valon sisältämien fotonien sieppaus puolijohteeseen, kyky muuntaa fotonin energia puolijohteen elektronin viritystilaksi, pitää viritystila päällä riittävän kauan (veden hapetusreaktion mahdollistamiseksi), siirtää viritystilan elektroni tehokkaasti edellä mainitun rajapinnan yli johteeseen ja pitää elektroni johteessa riittävän kauan (vetyionien pelkistämiseksi). Vesimolekyylien täytyy päästä hyvin kiinni puolijohteeseen hapettumista ja vastaavasti vetyionien täytyy hakeutua metallille pelkistymistä varten. Kyse on kvanttimekaanisten ja kemiallisten ilmiöiden optimoinnista, jossa tarvitaan atomitason fysiikan teoreettista ja kokeellista tutkimusta. Prosessissa täytyy säilyä myös tasapaino, eli hapettumista ja pelkistymistä pitää tapahtua oikeassa suhteessa.

Toistaiseksi lupaavimmat kolme NANOMOn komposiittia perustuvat MoS2-Ag-Ni, Bi2O2CO3/Bi2WO6 (jodiseostettu) ja TiO2-Ag-Ni -rakenteisiin. Kaikki kolme ovat osoittaneet hyviä fotokatalyyttisia ominaisuuksia vedyn tuottamisessa auringon valolla (näkyvällä). Kvanttihyötysuhde MoS2-Ag-Ni ja Bi2O2CO3/Bi2WO6 -yhdisteillä on ollut vastaavasti 7 % ja 14,9 %. Hyötysuhde lähestyy kaupallisia aurinkosähköpaneeleita. 1 gramma TiO2-Ag-Ni katalyyttiä on tuottanut kokeissa 86 mol vetyä tunnissa 1 watin valkoisen ledin valaistuksessa. NANOMOn tekemä tutkimus kattaa soveltavia kokeita, kokeita kehitystä fotokatalyysin skaalaukseen sekä valottaa katalyyttien toimintaa ja mekanismeja kvanttimekaniikan tasolla paitsi kokeellisesti niin myös teoreettisesti.

Viimeaikainen tutkimus osoittaa NANOMO-tutkimusyksikön roolia maailman kärkitasolla fotokatalyyttien kehittämisessä ja tutkimuksessa. Yksikkö tekee pioneerityötä, jossa käytetään fundamentaalisia uusia konsepteja toiminnallisten materiaalien tutkimukseen ja innovointiin. Fotokatalyyttien soveltavia pilottikokeita on tehty ja kehitetty projektissa, johon yksikkö on saanut rahoitusta Euroopan aluekehitysrahastosta. Projektia johtavat Associate Professor Wei Cao ja professori Marko Huttula.

Materiaaliratkaisuihin on jo myönnetty patentti Suomessa ja viimeisimmät tulokset on julkaistu huipputasolla Chemical Engineering Journal- ja RSC Advances -julkaisuissa.

Lisätietoja:

Nanocomposites for photocatalytic water splitting using visible light and method for synthesis thereof, Finnish Patent No. 20185096

Iodine doped Z-scheme Bi2O2CO3/Bi2WO6 photocatalysts: Facile synthesis, efficient visible light photocatalysis, and photocatalytic mechanism (sciencedirect.com 2021) DOI: 10.1016/j.cej.2020.126327

Synergistic effect of Ni–Ag–rutile TiO2 ternary nanocomposite for efficient visible-light-driven photocatalytic activity (RSC Publishing 2020) DOI: 10.1039/D0RA07078E