Oulun yliopisto

Uusia tehokkaita nanokatalyyttejä auringonvalolla valmistetun vetyenergian tuottamiseksi

Jaa

Oulun yliopiston NANOMO-tutkimusyksikössä on kehitetty kolme tehokasta auringon valoa energialähteenä ja vettä raaka-aineena käyttävää heteroliitoskomposiittia vetykaasun tuottamiseen.

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.

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

Avainsanat

Yhteyshenkilöt

Associate Professor Wei Cao, Oulun yliopisto, NANOMO-tutkimusyksikkö, puh. 0400 897982, sähköposti: Wei.Cao@oulu.fi

Professori Marko Huttula, Oulun yliopisto, NANOMO-tutkimusyksikkö, puh. 0400 566 218, sähköposti: Marko.Huttula@oulu.fi

Viestintäasiantuntija Tiina Pistokoski, Oulun yliopisto, puh. 040 7161 387, sähköposti: Tiina.Pistokoski@oulu.fi

Tietoja julkaisijasta

Oulun yliopisto
Oulun yliopisto
Pentti Kaiteran katu 1
90570 Oulu

0294 480 000http://www.oulu.fi/yliopisto/

Tilaa tiedotteet sähköpostiisi

Haluatko tietää asioista ensimmäisten joukossa? Kun tilaat mediatiedotteemme, saat ne sähköpostiisi välittömästi julkaisuhetkellä. Tilauksen voit halutessasi perua milloin tahansa.

Lue lisää julkaisijalta Oulun yliopisto

Polku yrittäjyyteen ja korkeakoulutukseen alkaa varhain – lapsuudenaikaiset tekijät yhteydessä työuraan ja työhyvinvointiin keski-iässä22.1.2021 07:00:00 EETTiedote

Lapsuudenaikaiset sosiaaliset investoinnit, kuten panostukset koulutukseen sekä kasvuympäristön asenneilmasto, muovaavat tulevaa työuraa. Varhaislapsuudessa äidin kannustava asenne taloudelliseen itsenäisyyteen ennustaa päätymistä yrittäjän tai korkeakoulutetun uralle. Maanviljelijäperheessä kasvaminen ennustaa yrittäjyyttä ja oma hyvä koulumenestys korkeakoulutusta.

Luonnontuotteiden jalostaminen kasvussa Suomessa. Uhkana ulkomaiset tuoteväärennökset20.1.2021 08:30:41 EETTiedote

Luonnontuotteiden ja terveysperusteisten elintarvikkeiden kasvava suosio maailmalla houkuttelee tuoteväärennöksiä kansainvälisille markkinoille. Oulun yliopistossa luonnontuotteita tutkivassa mittaustekniikan yksikössä törmättiin hiljattain ulkomailta tuotuun väärennettyyn mustikkajauheeseen. Tutkija suosittaakin alalle tarkempien laboratoriotutkimusten hyödyntämistä paitsi laadun varmistamiseksi myös tuotekehityksen edistämiseksi. Kainuussa tutkijoiden ja yritysten tiivis yhteistyö on poikinut runsaasti uusia tuoteinnovaatioita.

Suomen Akatemialta lähes 13 miljoonaa euroa Oulun yliopiston tutkimuksen profiilialojen vahvistamiseen14.1.2021 09:13:46 EETTiedote

Suomen Akatemia on tehnyt rahoituspäätökset yliopistojen tutkimuksen profiloitumisen vahvistamiseksi vuosille 2021-2026. Oulun yliopistolle myönnettiin 12,79 miljoonaa euroa tukemaan sen ennestään vahvoja tutkimusaloja, jotka liittyvät arktisuuteen, elinikäiseen terveyteen ja 6G:hen. Kansainvälinen asiantuntijapaneeli arvioi Oulun yliopiston hakemuksen erinomaiseksi.

Uutishuoneessa voit lukea tiedotteitamme ja muuta julkaisemaamme materiaalia. Löydät sieltä niin yhteyshenkilöidemme tiedot kuin vapaasti julkaistavissa olevia kuvia ja videoita. Uutishuoneessa voit nähdä myös sosiaalisen median sisältöjä. Kaikki tiedotepalvelussa julkaistu materiaali on vapaasti median käytettävissä.

Tutustu uutishuoneeseemme