Nanomateriaalin ja valoa absorboivan molekyylin yhdistäminen tehostaa vedyn tuotantoa vedestä ja auringosta

Fossiilisten polttoaineiden ehtymisen ja niiden poltosta johtuvien planeettamme kärsimien ympäristöongelmien myötä puhtaan energiantuotantoteknologian kehittäminen on maailmanlaajuisen mielenkiinnon kohteena. Puhtaan energian tuottamiseen ehdotetuista erilaisista menetelmistä fotokatalyyttinen veden halkaisu on erittäin lupaava. Tässä menetelmässä käytetään aurinkoenergiaa veden (H2O) molekyylien halkaisemiseen ja dihydrogeenin (H2) tuottamiseen. H2 voidaan sitten käyttää hiilivapaana polttoaineena tai raaka-aineena monien tärkeiden kemikaalien tuotannossa.

Nyt Tokion teknillisessä korkeakoulussa toimivan Kazuhiko Maedan johtama tutkimusryhmä on kehittänyt uuden fotokatalyytin, joka koostuu nanokokoluokan metallioksidilevyistä ja ruteniumväriainemolekyylistä ja joka toimii samanlaisen mekanismin mukaan kuin väriaineherkistetyt aurinkokennot. Metallioksideilla, jotka ovat fotokatalyyttisesti aktiivisia veden hajottamiseksi H2:ksi ja O2:ksi, on laajat kaistanleveydet, mutta väriaineherkistetyt oksidit voivat hyödyntää näkyvää valoa, joka on auringonvalon pääkomponentti (kuva 1). Uusi fotokatalyytti pystyy tuottamaan vedestä H2:ta, jonka liikevaihtotaajuus on 1960 tunnissa ja ulkoinen kvanttituotto 2,4 %.

Nämä tulokset ovat korkeimmat väriaineherkistetyille fotokatalyyteille näkyvän valon alla mitatut tulokset, ja ne tuovat Maedan ryhmän askeleen lähemmäs tavoitetta keinotekoisesta fotosynteesistä – luonnollisen prosessin jäljittelemisestä veden ja auringonvalon käyttämisestä energian kestävään tuottamiseen.

Uusi materiaali, josta raportoidaan Journal of the American Chemical Society -lehdessä, on rakennettu suuren pinta-alan kalsiumniobaatti-nanolevyistä (HCa2Nb3O10), joiden väliin on interkaloitunut platina (Pt) -nanoklustereita H2:ta kehittävinä paikkoina. Platinamodifioidut nanolevyt eivät kuitenkaan toimi yksinään, sillä ne eivät absorboi tehokkaasti auringonvaloa. Niinpä näkyvää valoa absorboiva ruteniumväriainemolekyyli yhdistetään nanolevyyn, mikä mahdollistaa H2:n kehittymisen auringon avulla (kuva 2).

Materiaalin tekee tehokkaaksi nanolevyjen käyttö, joita saadaan lamellimaisen HCa2Nb3O10:n kemiallisella kuorinnalla. Nanolevyjen suuri pinta-ala ja rakenteellinen joustavuus maksimoivat väriainekuormituksen ja H2-evoluutiopaikkojen tiheyden, mikä puolestaan parantaa H2-evoluution tehokkuutta. Suorituskyvyn optimoimiseksi Maedan työryhmä muokkasi nanolevyjä myös amorfisella alumiinioksidilla, jolla on tärkeä rooli elektroninsiirron tehokkuuden parantamisessa. ”Ennennäkemätöntä on, että nanolevyjen alumiinioksidimodifikaatio edistää väriaineen regeneroitumista reaktion aikana estämättä elektronien injektiota herätetystä väriaineesta nanolevyyn ¬– väriaineherkistetyn H2-evoluution ensisijainen vaihe”, Maeda sanoo.

”Vielä aivan viime aikoihin asti pidettiin hyvin vaikeana saada aikaan H2-evoluutio kokonaisvaltaisen veden pilkkomisen kautta näkyvän valon alla väriaineherkistetyllä valokatalysaattorilla korkealla hyötysuhteella”, Maeda kertoo. ”Uusi tuloksemme osoittaa selvästi, että tämä on todellakin mahdollista, kun käytetään huolellisesti suunniteltua molekyyli-nanomateriaalihybridiä.”

Lisätutkimusta on vielä tehtävä, sillä hybridivalokatalyytin suunnittelua on optimoitava edelleen tehokkuuden ja pitkäaikaisen kestävyyden parantamiseksi. Fotokatalyyttinen veden halkaisu voi olla ratkaiseva keino vastata yhteiskunnan energiantarpeeseen ympäristöä entisestään vahingoittamatta, ja tämänkaltaiset tutkimukset ovat olennaisia ponnahduslauttoja vihreämpää tulevaisuutta koskevan tavoitteemme saavuttamisessa.