Tiellä kohti uusiutuvan energian varastointia

Sveitsiläisen EPFL:n tutkijat ovat havainneet, kuinka katalyytit käyttäytyvät hiukkastasolla veden elektrolyysin aikana. Katalyytit ovat ratkaisevassa roolissa reaktiossa, jossa vesi jakautuu vedyksi ja hapeksi.

"Olemme voineet nähdä, että vesielektrolyysin aikana jotkut oksidit ovat erityisen tehokkaita, kestäviä ja vakaita. Mutta emme voi oikein selittää, miksi nämä ne toimivat paremmin, koska emme tarkkaan tiedä mitä katalyytille tapahtuu reaktion aikana", sanoo apulaisprofessori Vasiliki Tileli.

Työssä käytettiin perovskiittityyppistä oksidikatalyyttiä nimeltä BSCF. "Se on kiehtova katalyytti, jolla on poikkeukselliset veden jakamisominaisuudet", Tileli sanoo. ”Suurin osa tällä hetkellä käytössä olevista katalyyteistä, kuten iridiumista ja ruteenista valmistetut, ovat tehokkaita, mutta erittäin kalliita."

Tutkijat ottivat reaaliaikaisia kuvia BSCF-hiukkasista elektrolyysisyklin jokaisen vaiheen aikana. He havaitsivat reaktion tapahtuvan ja vahvistivat sen olevan palautuva. BSCF havaittiin myös erityisen kestäväksi.

Lisäksi havaittiin, että hiukkasten pinta-atomit jakautuvat uudelleen reaktion aikana ja muuttavat pinnan ominaisuuksia. Täten hiukkaset ovat vuorovaikutuksessa ympäristönsä kanssa eri tavalla elektrolyysisyklin eri vaiheissa. Kyky vaihtaa edestakaisin hydrofobisen ja hydrofiilisen tilan välillä on erittäin arvokasta insinööreille ja sitä voidaan käyttää monissa sovelluksissa, kuten antureissa, vedenpuhdistusjärjestelmissä ja itsepuhdistuvissa pinnoissa.

EPFL:n kemianinsinöörit ovat puolestaan kehittäneet uuden lähestymistavan keinotekoiseen fotosynteesiin, menetelmään kerätä aurinkoenergiaa puhtaan vedyn tai kemikaaleiksi tuottamiseksi.

Keinotekoisen fotosynteesilaitteen klassinen rakenne on suhteellisen yksinkertainen: valoa antenneina absorboiva väriaine yhdistettynä puolijohteeseen, joka erottaa sähkövaraukset sekä sähkökatalyytti, joka ohjaa veden pelkistys-hapetusreaktiota.

Prosessi on kuitenkin edelleen liian hidas. Veden hapetus näkyvällä valolla (esim. auringonvalolla) on edelleen keinotekoisen fotosynteesin pullonkaula. "Ongelmana on, että on vaikea löytää elektrodimateriaaleja, joilla on korkea kemiallinen vakaus, sopivat optoelektroniset ominaisuudet ja korkea katalyyttinen hyötysuhde", kemian insinööri Astrid Olaya selventää.

Tutkijat hapettivat valolla vettä yksinkertaisella orgaanisella molekyylillä, tetratiafulvaleenilla (TTF). Ilmeni, että TTF:n suolaversio voi koostua itsestään mikrosauvoiksi eli antenneiksi vangiten näkyvää valoa sekä toimimaan elektronipumppuina veden hapettamiseksi. Yleensä tämä on hidas, monivaiheinen reaktio, mutta TTF-suolamolekyylien pino voi vangita tarvitut neljä elektronia vesimolekyylin hapettamiseen.

TTF koostuu vain hiili-, rikki- ja vetyatomeista, jotka kaikki ovat laajalti saatavilla. Tämä tarkoittaa, että uusi menetelmä on myös kustannustehokas ja kestävä, sillä se ei vaadi jalometalli-ioneja, kuten platinaa tai iridiumia.

"Tämä työ on uusi tapa lähestyä keinotekoista fotosynteesiä muutamalla yksinkertaisella orgaanisella molekyylillä", Olaya sanoo yliopistonsa tiedotteessa.

Aiheesta aiemmin:

Vihreää vetyä edullisemmin

Vihreää polttoainetuottoa kehittäen