Vihreää polttoainetuottoa kehittäen

Vuosikymmenien ajan tutkijat ympäri maailmaa ovat etsineet tapoja käyttää aurinkoenergiaa avainreaktiona vihreän vedyn tuottamiseen. Kuitenkin veden jakaminen hyvin on liian kallista ja yritykset tehdä sitä edullisesti johtavat huonoon suorituskykyyn.

Nyt tutkijat Texasin Austin yliopistosta ovat löytäneet edullisen tavan ratkaista puolet yhtälöstä käyttämällä auringonvaloa erottamaan tehokkaasti happimolekyylit vedestä.

"Tarvitset materiaaleja, jotka absorboivat hyvin auringonvaloa mutta eivät samalla heikkene veden jakamisreaktioiden aikana", sanoo Cockrell Schoolin professori Edward Yu.

Nämä ristiriitaiset vaatimukset ovat ratkaistavissa yhdistämällä useita materiaaleja – kuten auringonvaloa absorboivaa piitä ja hyvän vakauden tarjoavaa piidioksidia yhdeksi rakenteeksi. Ongelmana on sitten auringonvalon tuottamien elektronien ja aukkojen hyvä liikkuvuus piidioksidikerroksen poikki. Tämä vaatii yleensä ohuen piidioksidikerroksen mutta ennepitkään se heikentää piiabsorberin toimintaa.

Ratkaisuna tähän tuli luoda sähköä johtavia reittejä paksumman piidioksidikerroksen läpi. Pinnoittamalla piidioksidi alumiinikalvolla ja rakennetta lämmittämällä muodostuu piidioksidikerrokseen nanokokoisia alumiinipiikkejä. Nämä voidaan korvata helposti nikkelillä tai muilla materiaaleilla, jotka auttavat myös katalysoimaan veden hajoamisreaktioita.

Tämä kaikki voidaan tehdä käyttämällä nykyelektroniikan valmistuksen työtapoja joten menettelyn pitäisi olla helppo skaalata massatuotantoon.

Auringonvalon valaistessa rakenne hapettaa veden tehokkaasti happimolekyylien muodostamiseksi, samalla kun erillisellä elektrodilla voi tuottaa vetyä.

Indian Institute of Technology Bombayn (IIT Bombay) tutkijat ovat puolestaan käyttäneet magneettia vauhdittamaan vedyn erottamista vedestä. Kustannustehokkuuden parantamiseksi tutkijat käyttivät edullisempia siirtymämetalleja, joilla on enemmän "valenssia" eli kykyä vaihtaa elektroneja muiden yhdisteiden kanssa.

Tutkijat käyttivät kobolttioksidia. Se on tunnettu sähkökemiallinen katalyytti, mutta se vaatii paljon energiaa ja tuottaa vetyä vähäisellä nopeudella. Tutkijat eivät työssään luottaneet pelkästään sähköön vaan ottivat avukseen pienen jääkaappimagneetin mikä kasvatti reaktionopeuden kolminkertaiseksi. Samalla elektrolyysi kulutti 19% vähemmän energiaa. Lisäksi magneettikentät vaikuttivat kobolttioksidiin ja reaktionopeuteen 45 minuutin ajan vaikka ulkoinen magneetti poistettiin reaktion läheisyydestä.

”Ulkoisen magneettikentän ajoittainen käyttö tarjoaa uuden suunnan energiatehokkaan vedyntuotannon saavuttamiseksi. Tähän tarkoitukseen voidaan tutkia myös muita katalyyttejä”, sanoo professori Chandramouli Subramaniam.

Illinoisin Chicagon yliopiston insinöörit ovat sen sijaan luoneet aurinkosähköllä toimivan sähkökemiallisen reaktion, joka käyttää jätevettä ammoniakin valmistamiseen mutta saavuttaa myös kymmenen kertaa paremman aurinko/polttoaine -tehokkuuden kuin mikään muu vastaavaa tekniikkaa.

Ammoniakki on lannoitteiden ja monien tuotteiden, kuten muovien ja lääkkeiden, keskeinen yhdiste. Nykymenetelmät ammoniakin valmistamiseksi tuottaa merkittävän osan maailmanlaajuisista kasvihuonekaasupäästöistä.

Menetelmä käyttää nitraattia, joka on yksi yleisimmistä jätevesien epäpuhtauksista, toimittamaan typpeä ja toisaalta auringonvaloa reaktion sähköistämiseksi. Järjestelmä tuottaa lähes pelkästään ammoniakkia eikä tuota hiilidioksidia tai muita kasvihuonekaasuja. Myös nitraatin poisto jätevesistä olisi merkityksellistä, sillä suuri nitraattialtistus juomaveden kautta on liitetty moniin terveydellisiin ongelmiin.

Aiheesta aiemmin:

Vetyä suoraan merivedestä

Vetyä auringonvalosta

Vetyä ja ammoniakkia