Nanostrukturerade fotokatalysatorer för rening och väteproduktion

Den första aspekten vi undersöker är ljus-assisterade processer för rening av luft och vatten. Föroreningarnas källa kan till exempel vara den kemiska industrin eller förbränningen av fossila bränslen. Vi arbetar med halvledande material som har förmågan att absorbera solljuset och med dess hjälp driva en kemisk reaktion på materialets yta. Eftersom halvledaren inte förändras eller förbrukas i denna process och eftersom energin som krävs för att åstadkomma reaktionen hämtas från solljus kallas halvledaren i detta sammanhang för en ”fotokatalysator”. Vi känner idag till ett antal fungerande fotokatalysatorer och fotokatalytiska reaktioner, men vår förståelse för de mekanismer som möjliggör en reaktion är fortfarande ganska dålig. Med det här projektet vill vi bidra till att förbättra förståelsen.

Den andra aspekten vi forskar kring handlar om hållbar produktion av vätgas, som kan användas som ett bränsle och som vi hoppas kommer att ersätta oljan i en ganska snar framtid. Tanken är att använda solljuset för att dela vatten i syrgas och vätgas. På detta sätt kan man lagra solens energi i vätgasens kemiska bindningar. Förbränns vätgasen sedan i en förbränningsmotor eller en bränslecell frigörs den sparade energin; det enda utsläppet är vatten. Att klyva vatten med hjälp av solljus är i dagsläget tyvärr en mycket ineffektiv process vilket innebär att priset på vätgasen är alldeles för högt. Det finns många anledningar till att processen är ineffektiv, bland annat halvledarens dåliga förmåga att absorbera ljuset. Ett viktigt mål av projektet är därför att utforska vägar som kan förbättra ljusabsorptionen. Samtidigt vill vi skapa en fördjupad förståelse för mekanismerna som ligger vattensönderdelningen till grund och på så sätt öka processens effektivitet.

Även om de två ovan nämnda aspekter, fotokatalytisk emissionsrening och vattensönderdelning, kan uppfattas som väldigt olika finns det faktiskt en hel del likheter. Båda delprojekten handlar om hur de negativa aspekterna av fossila bränslen kan minskas eller undvikas helt. Och båda delprojekten använder sig av ett halvledande material för att fånga in solljus och för att katalysera en kemisk reaktion. Det finns alltså starka synergieffekter.

HUR KAN PROJEKTET BIDRA TILL EN LÖSNING?
Vi använder oss av nanoteknik i världsklass för att uppnå våra mål, dvs. att öka förståelsen för de grundläggande processer som avgör hur effektiv en fotokatalytisk reaktion är. Med hjälp av instrument och metoder som finns tillgängliga på Chalmers nanotekniklaboratoriet skapar vi nanofabricerade modellsystem som innehåller alla väsentliga aspekter av det reala systemet men som är mycket lättare att karakterisera och förstå. Genom att systematiskt variera fotokatalysatorns struktur och sammansättning försöker vi att hitta länkar mellan dessa parametrar och fotokatalysatorns prestanda. Efter ett antal försök kan vi då förhoppningsvis ange mera exakt vilka egenskaper utgör en bra fotokatalysator och förstå i detalj hur den kemiska reaktionen fortlöper.

Nanofabrikationsmetoderna som vi använder tillåter oss också att lägga små metalliska nanopartiklar på fotokatalysatorns yta. Det är ett välkänt fysikaliskt fenomen att sådana nanopartiklar av metall, och speciellt ädelmetall såsom guld eller silver, har en mycket stor förmåga att sprida och absorbera ljus inom ett visst våglängdsintervall som beror på metallens grundläggande egenskaper och partiklarnas storlek, form och omgivning, och som därmed kan anpassas till solens spektrum. Effekten beror på att ledningselektronerna i de små partiklarna är benägna att på ett kollektivt sätt svänga i takt med ljusets vågrörelse. Vi hoppas kunna utnyttja de intressanta optiska egenskaperna hos dessa partiklar för att förbättra ljusinfångningen.

VILKA KOMMER ATT HA NYTTA AV RESULTATEN?
På kort sikt förväntas våra resultat framförallt vara av intresse för andra forskare. Genom att bygga på resultaten som genereras i projektet kan de utveckla en ännu bättre förståelse av fotokatalytiska reaktioner och så småningom konstruera bättre och bättre fotokatalysatorer. På lång sikt tror vi att resultaten kommer att påverka var och en av oss på ett eller annat sätt, t ex genom att vi kan njuta av renare luft eller att vi kör en bil som drivs med vätgas som är framställt på ett hållbart sätt. Företag inom clean-tech sektorn förväntas kunna kommersialisera de viktigaste resultaten.