Valokatalyyttisen vedenhajoituksen tavoittelu ensimmäisten periaatteiden laskelmissa

Valokatalyyttinen veden hajotus on vaihtoehtoinen käyttömekanismi aurinkopaneeleille. Sen prosessi koostuu atomitason ilmiöistä, jotka etenevät valokatalyyttisen materiaalin pinnalla. Kokonaisuudessaan auringon energia ja vesimolekyylit muunnetaan hapeksi ja vedyksi. Puolestaan syntynyt vetykaasu voi toimia arvokkaana puhtaana polttoaineena tai kemiallisena reagenssina. Tämä olisi kannattavaa, jos sopivan halpaa ja suorittavaa valokatalyyttistä materiaalia olisi löydetty.

Aluksi tämä väitöskirja lähestyy aihetta ylhäältä alas -näkökulmasta, ja käsittelee teknologian kehittämisen yhteiskunnallista merkitystä. Teknologia voi täydentää puhtaan energian tuotantoa tulevaisuudessa, mikä toimii tärkeäksi osaksi ilmaston lämpenemistä vastaan. Seuraavaksi valokatalyyttisen veden hajotuksen fysikaalis-kemialliset toimintaperiaatteet selitetään niin kuin ne ilmenevät todellisissa materiaaleissa. Samalla tuodaan esiin yhtäläisyydet ja erot valokatalyyttisen veden hajotuksen ja kilpailevan teknologian välillä, nimittäin, aurinkokennot kytkettyinä elektrolyyseihin. Tämä muodostaa näkökulman lupaaviin tutkimussuuntiin.

Toiseksi valokatalyyttisen veden hajotuksen tarkastelu jatkuu alhaalta ylös -näkökulmasta. Tiheysfunktionaaliteoria esitellään menetelmänä atomistisen mallin elektronirakenteen laskemiseen. Tästä perusratkaisusta voidaan laskea puolestaan monia muita ominaisuuksia, jotka liittyvät mallien valokatalyyttisen kykyyn veden hajotukseen. Nuo laskennallisten mallien ominaisuudet sitten ennustavat todellisten materiaalien ominaisuuksia laboratoriossa. Siksi tulokset voi ohjata ja inspiroida kokeellista tutkimusta kohti innovaatioita.

Sitten tuodaan esiin kolme alkuperäistä tutkimusjulkaisua, joissa laskennallisia menetelmiä sovelletaan käytännössä. Muun muassa kokeellisesti havaittu Cu–S-nanolevyjen kasvu MoS₂:n pinnalla yhdistettiin pinnanlajien ja etyleeniglykolin välisiin vuorovaikutuksiin. Myös laaja joukko γ PC/WS₂ kaksikerrosrakenteita analysoitiin, ja niiden ominaisuuksien havaittiin riippuvan kiertokulmasta ja sisäisistä venymistä. Lisäksi ehdotettiin monimutkaista LaZr₁₆S₃₂/Co₁₄Ni₁₄O₄₅(OH)₁₁ nanorakennetta, jonka DFT pohjaisiin materiaaliominaisuuksiin perustuva tarkastelu viittaa erinomaiseen valokatalyyttiseen suorituskykyyn.