Ett forskarlag med koppling till Chalmers tekniska högskola presenterar en ny metod för att producera vätgas från solenergi utan användning av platina. Metoden bygger på solljus, vatten och mycket små partiklar av elektriskt ledande plast, vilket möjliggör vätgasproduktion med lägre materialkostnader.
Vätgas är en viktig energibärare inom omställningen till förnybar energi, eftersom den endast ger vatten som restprodukt vid användning. Samtidigt finns utmaningar kopplade till hur vätgasen produceras. I många befintliga system används platina som hjälpkatalysator vid vattenspjälkning med solenergi. Platina är både kostsam och begränsad i tillgång, och brytningen är förenad med miljö- och hälsorisker. Produktionen är dessutom koncentrerad till ett fåtal länder, däribland Sydafrika och Ryssland.
I en ny studie, publicerad i tidskriften Advanced Materials, visar forskarna hur vätgas kan framställas effektivt utan platina. Reaktionen sker i vatten, där nanopartiklar av elektriskt ledande plast samverkar med solljus och sin omgivning för att driva processen.
– Att kunna producera vätgas både effektivt och hållbart med hjälp av solens strålar – helt utan platina – har länge varit en dröm. Genom smart materialdesign har vi nu lyckats åstadkomma effektiv fotokatalys till en mycket lägre kostnad. Resultaten visar till och med att tekniken kan prestera bättre än dagens platinabaserade system, säger Chalmersforskaren Alexandre Holmes, som tillsammans med Jingwen Pan från Jiefang Zhus forskargrupp vid Uppsala universitet är delad försteförfattare till studien.
Materialutveckling bakom metoden
Arbetet har bedrivits under flera år inom professor Ergang Wangs forskargrupp vid Chalmers. Den centrala utvecklingen gäller materialdesign av så kallade konjugerade polymerer – en typ av elektriskt ledande plast som effektivt absorberar ljus men normalt fungerar sämre i vatten. Genom att justera materialets egenskaper på molekylnivå har forskarna förbättrat dess samspel med vatten.
– Vi har också utvecklat ett sätt att skapa minimala partiklar, nanopartiklar, av plasten som samspelar bättre med vatten så att den kemiska processen blir effektiv. Genom att partiklarna inte binder så hårt till varandra förbättras förutsättningarna för vätgasproduktionen, säger Alexandre Holmes.
I laboratoriemiljö går det att följa processen visuellt. När en ljuskälla som efterliknar solens strålar riktas mot vatten med polymernanopartiklar bildas snabbt bubblor av vätgas, som leds vidare till en behållare där gasproduktionen kan mätas.
– Med hjälp av så lite som ett gram av polymermaterialet kan vi tillverka 30 liter vätgas på en timme, säger Alexandre Holmes.
Ett parallellt forskningsframsteg vid Chalmers har även visat att den elektriskt ledande plasten kan tillverkas utan giftiga kemikalier och med lägre kostnader.
Nästa steg i forskningen
I dagsläget används vitamin C som hjälpkemikalie för att hålla den kemiska processen aktiv. Även om tillsatsen förbättrar effektiviteten innebär den ökade kostnader.
– Att vi nu kan ta bort platina ur systemet är ett genombrott för hållbar vätgasproduktion. Nästa steg är att utveckla material som klarar fullständig vattenspjälkning utan tillsatser, med endast solljus som energikälla. Det arbetet kommer att ta några år, men vi tror att vi är på rätt väg, säger forskningsledaren Ergang Wang, professor vid institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers.
