Nytt poröst material kan göra förnybar energi från vatten

– Vi behöver utveckla nya hållbara energisystem för att möta både världens energibehov och miljöproblem, som ökande koldioxidutsläpp och global uppvärmning, säger Jianwu Sun, universitetslektor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi (IFM) vid Linköpings universitet, som har lett den aktuella studien.

Väte har tre gånger så hög energidensitet som bensin. Med hjälp av en bränslecell kan väte användas för att generera elektricitet och i dag finns vätedrivna bilar att köpa. När vätgas används för att alstra energi bildas inget annat än rent vatten. Däremot skapas koldioxidutsläpp vid produktionen av vätet, eftersom den vanligaste tekniken i dag använder fossila bränslen för att framställa vätgas. Produktion av ett ton vätgas på detta sätt ger samtidigt 9-12 ton koldioxid.

Förnybar energikälla utan koldioxidutsläpp

Att i stället producera vätgas genom att dela vattenmolekyler med hjälp av solenergi är ett hållbart alternativ, som skulle kunna ge vätgas av förnybara källor utan att orsaka koldioxidutsläpp. En stor fördel skulle vara att detta tillvägagångssätt gör det möjligt att omvandla solenergi till bränsle som kan lagras.

– Konventionella solceller kan bara alstra energi under dagen, och energin måste antingen användas direkt, eller sparas i exempelvis batterier. Väte är en lovande energikälla som kan lagras och transporteras på liknande sätt som traditionella bränslen som bensin och diesel, säger Jianwu Sun.

Att på ett effektivt sätt dela vatten till vätgas med hjälp av energin i solljus är inte helt enkelt. För att lyckas behöver forskarna hitta kostnadseffektiva material som har rätt egenskaper för att underlätta reaktionen där vatten (H2O) kan sönderdelas till vätgas (H2) och syrgas (O2) genom fotoelektrolys. Energin som krävs för att klyva vatten kommer främst från den ultravioletta strålningen och det synliga ljuset i solljuset.

Därför måste materialet kunna absorbera sådan strålning på ett effektivt sätt och använda den infångade energin till att skapa laddningar som kan separeras och har tillräckligt hög energi för att kunna klyva vattenmolekyler till vät- och syrgas. De flesta material som har undersökts hittills är antingen inte tillräckligt bra på att använda energin i synligt solljus (exempelvis titandioxid, TiO2, som bara absorberar ultraviolett strålning), eller så har materialet inte de egenskaper som krävs för att dela vatten till vätgas (exempelvis kisel, Si).

Poröst material gör vattenklyvningen mer effektiv

Jianwu Suns forskargrupp har undersökt om materialet kubiskt kiselkarbid, 3C-SiC, skulle kunna användas. De har nu framställt en form av kubiskt kiselkarbid som har en mängd extremt små porer. Materialet, som de kallar nanoporöst 3C-SiC, har lovande egenskaper för att användas till att utvinna vätgas ur vatten med solljus. I den aktuella studien, som publiceras i tidskriften ACS Nano, visar forskarna att det nya porösa materialet effektivt kan fånga ultraviolett och en stor del av det synliga ljuset. Den porösa strukturen gynnar separationen av laddningar med tillräckligt hög energi. Dessutom ger de små porerna en större aktiv yta som förstärker laddningsöverföringen och ökar reaktionsytan, så att vattenklyvningen sker än mer effektivt.

– Framför allt visar vi att nanoporöst kubiskt kiselkarbid förstärker laddningsseparationen, vilket gör att klyvningen av vatten till vätgas blir påtagligt mycket bättre jämfört med plant kiselkarbid, säger Jianwu Sun.

Fotnot:

Forskningen har finansierats med stöd av bland annat Vetenskapsrådet, FORMAS och The Swedish Foundation for International Cooperation in Research and Higher Education, STINT.

Vetenskaplig artikel:

Nanoporous Cubic Silicon Carbide Photoanodes for Enhanced Solar Water Splitting, (Jing-Xin Jian, Valdas Jokubavicius, Mikael Syväjärvi, Rositsa Yakimova och Jianwu Sun), ACS Nano, publicerad online 19 februari 2021

Kontakt:

Jianwu Sun, universitetslektor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi (IFM) vid Linköpings universitet, jianwu.sun@liu.se