Uusia tehokkaita nanokatalyyttejä auringonvalolla valmistetun vetyenergian tuottamiseksi
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
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
Kutsu: Oulun yliopisto tuo tiedettä Oulun keskustaan22.1.2021 14:07:48 EET | Kutsu
Oulun yliopisto avaa kevääksi pop-up-tilan Oulun keskustaan osoitteeseen Kauppurienkatu 12. Tilassa järjestetään ohjelmaa ja virtuaalilähetyksiä kolmen kuukauden ajan helmi-huhtikuussa 2021, alkaen 2. helmikuuta. Tilaan voi myös tulla pistäytymään aukioloaikoina.
Polku yrittäjyyteen ja korkeakoulutukseen alkaa varhain – lapsuudenaikaiset tekijät yhteydessä työuraan ja työhyvinvointiin keski-iässä22.1.2021 07:00:00 EET | Tiedote
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.
Oulun yliopiston englanninkieliset tutkinto-ohjelmat kiinnostivat jälleen hakijoita21.1.2021 11:59:41 EET | Tiedote
Yhteensä 2961 hakijaa jätti hakemuksensa Oulun yliopiston kansainvälisiin tutkinto-ohjelmiin keskiviikkona 20.1.2021 päättyneessä kevään ensimmäisessä yhteishaussa. Hakijamäärä kasvoi noin 28 prosenttia viime vuodesta (2020: 2314). Hakijoita oli yhteensä yli 100 maasta ympäri maailmaa.
Luonnontuotteiden jalostaminen kasvussa Suomessa. Uhkana ulkomaiset tuoteväärennökset20.1.2021 08:30:41 EET | Tiedote
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.
Jäte- ja valumavesien puhdistukseen uusia ratkaisuja yhdistämällä biopohjaisia menetelmiä18.1.2021 09:35:00 EET | Tiedote
Uudenlaisilla biopohjaisilla ratkaisuilla, ja yhdistämällä erilaisia puhdistusyksiköitä, on pystytty poistamaan typpeä ja raskasmetalleja jäte- ja valumavesistä pohjoisilla alueilla. Juuri päättyneessä Oulun yliopiston ja SYKEn hankkeessa on yhdistelty esimerkiksi sammalaltaita, puuhakkeeseen lisättyä sienirihmastoa, bioreaktoreita ja kosteikkoja.
Suomen Akatemialta lähes 13 miljoonaa euroa Oulun yliopiston tutkimuksen profiilialojen vahvistamiseen14.1.2021 09:13:46 EET | Tiedote
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.
Muinais-DNA kertoo poronhoidon leviämisestä 500 vuotta sitten12.1.2021 11:45:00 EET | Tiedote
Oulun yliopiston arkeologian ja genetiikan tutkijat ovat saaneet selville, että poro korvasi villipeuran Suomen alueen saamelaisten käyttämillä uhripaikoilla 1400–1600-lukujen aikana ja sen jälkeen. Tutkimusryhmä tutki arkeologisia peuranluunäytteitä neljältä saamelaisten uhripaikalta. Näytteet ajoittuivat 1100-luvun lopulta 1600-luvulle.
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