Tre kinesiske forskere fremlægger i en ny artikel i Physical Review Letters et forslag til opfyldelse af den store drøm om at finde en effektiv og simpel måde at spalte vand i hydrogen og oxygen. En simpel og effektiv proces er en forudsætning for i fremtiden at udnytte brint som energibærer og dermed for drømmen om et brintsamfund.
Særlig interessant vil det være at finde en proces, der kan udnytte Solens energi – et forhold som forskningsmæssigt har været undersøgt siden 1970’erne, men hvor det store gennembrud stadig mangler. Det helt store problem er, at det kræver en energi på mere end 1,23 elektronvolt at drive processen.
[latex] 2H_2O \rightarrow2H_2 + O_2 [/latex]
Processen kan foregå ved, at et halvledermateriale absorberer en foton med højere energi end 1,23 eV, som danner et elektron-hul-par, der efterfølgende stimulerer spaltningen af vand i hydrogen og oxygen. 1,23 elektronvolt svarer til en bølgelængde på 1.008 nanometer.
Det betyder, at den store del af Solens lys, som findes i det infrarøde område ved højere bølgelængder, ikke kan bruges. Endnu mere problematisk har det været at finde eller udvikle halvledermaterialer med et båndgap større end 1,23 eV, som det er økonomisk rentabelt at udnytte.
Sådan omgås den kritiske grænse
I den nye artikel fremlægger de kinesiske forskere nu en teoretisk analyse. Den viser, at med en anvendelse af en særlig bornitrid-katalysator, som kun har et estimeret båndgap på kun 0,85 eV, kan man spalte vand med fotoner, som har en bølgelængde mindre end 1.459 nanometer, og derved udnytte en meget stor del af Solens energi.
Umiddelbart lyder det besynderligt, at man kan drive spaltningsprocesen med fotoner, som har en energi under den kritiske grænse på 1,23 eV.
Ideen er at optage solenergien i et ultratyndt lag af bornitrid, som har hydrogenatomer på den øvre overflade og fluoratomer på den nedre overflade. Da fluor er det mest elektronegative (eller elektrontiltrækkende) grundstof, der findes, vil valenselektroner vandre til den nederste overflade og give en elektrisk spændingsforskel mellem top og bund på omkring 10 volt.
Når et elektron-hul-par dannes i bornitrid, vil elektroner bevæge sig op, og huller bevæge sig ned. I processen vil de vinde en energi på 10 eV. Det er mere end rigeligt til at kunne spalte vand.
Forskerne formoder, at hydrogenatomerne vil blive til gas på overfladen, og oxygenatomerne til gas på undersiden.
Flere udestående problemer
Physics World forklarer dog, at det efterlader et problem, da det vil resultere i negative hydroxidioner (OH-) på overfladen og positive hydrogenioner på undersiden.
Hvis de ikke fjernes, vil de mindske den elektriske spændingsforskel mellem top og bund, som er en forudsætning for virkemåden. Forskerne formoder, at man kan bruge et pulserende elektrisk felt til at fjerne ionerne. Men det skal afklares nærmere.
Et andet problem er, at det kan vise sig både besværligt og dyrt at fremstille bornitrid-katalysatoren. Den ene af forskerne, Jinlong Yang fra University of Science and Technology of China, forklarer derfor til Physics World, at forskerne også leder efter andre materialer med samme egenskaber.
Dansk forsker er skeptisk
Mange andre forskningsgrupper prøver at finde metoder til fotokatalytisk spaltning af vand. Det gælder bl.a. forskerne ved Grundforskningscenteret for Individuel Nanopartikel Funktionalitet på DTU, der ledes af Ib Chorkendorff.
Ib Chorkendorff er umiddelbart skeptisk over for muligheden for at lave et praktisk system baseret på den nye forskning. Han pointerer, at der er tale om ren teori, og mange teoretikere er uden jordforbindelse.
»Lad os se, om de kan spalte mere end et vandmolekyle, så kan vi tale om det,« siger Ib Chorkendorff.
Cobaltoxid er et alternativ
Der kommer hele tiden nye resultater fra forskere verden over.
I USA har en stor forskergruppe under ledelse af Jiming Bao fra University of Houston i december i Nature Nanotechnology beskrevet, at det er muligt med nanopartikler af cobaltoxid (CoO) at omdanne 5 pct. af solenergien til kemisk energi bundet i hydrogen. Bao forudser, at det vil være muligt at øge effektiviteten til 10 pct.
Også her er der dog et stort men, for cobalt-nanopartiklerne virker i øjeblikket kun som katalysatorer i en halv time.
Alligevel konkluderer Bao og den øvrige store gruppe af kinesiske forskere i USA, som står bag artiklen, at ‘opdagelsen bidrager til fremtidig udnyttelse af cobaltbaseret fotokatalyse og til en acceleration i udviklingen af næste generation af solbaseret fotokatalyse’.
Leave a Reply