Hold your horses

(6.11.2026) Vedyn tuottamiseksi auringonvalosta saatua energiaa on säilytettävä, kunnes sitä voidaan käyttää kemiallisessa reaktiossa. Jos valosta energiaa saanut elektroni kuitenkin palaa nopeasti alkuperäiseen asemaansa, energian hyödyntäminen vaikeutuu.

KAIST:n johtama tutkimusryhmä on paljastanut, kuinka pienet tyhjät kohdat materiaalissa, joka käyttää valoa kemiallisten reaktioiden käynnistämiseen, toimivat kuin "elektronien odotushuone", joka antaa enemmän aikaa valoenergian hyödyntämiselle.

Kemian laitoksen professori Tae Kyu Kimin johtama tutkimusryhmä tunnisti mekanismin, jolla titaanidioksidin "happivakanssit" auttavat pitämään elektroneja pidempään.

Titaanidioksidi on tyypillinen fotokatalyyttinen materiaali, joka edistää kemiallisia reaktioita valolle altistettuna. Sitä on tutkittu puhtaan energian ja ympäristöteknologian aloilla, koska sitä voidaan käyttää vedyn tuottamiseen auringonvalon avulla, hiilidioksidin muuntamiseen hyödyllisiksi aineiksi ja epäpuhtauksien hajottamiseen.

Tutkimusryhmä keskittyi "siniseen titaanidioksidiin (sininen TiO₂)", jonka happivakanssit voivat toimia väliaikaisina elektronien säilytyspaikkoina. Aukko on "elektronin vapauttama paikka", kun taas happivakanssi on "happiatomin vapauttama paikka", mikä tarkoittaa, että nämä kaksi ovat erilaisia. Tässä tutkimuksessa tutkijat selvittivät, miten happivakanssit vangitsevat elektroneja ja viivästyttävät rekombinaatiota.

Sinisessä titaanidioksidissa elektronit siirtyivät vakaampaan syvään loukkuun noin 1,5 nanosekunnin aikana. Tämän jälkeen elektroni-aukko-rekombinaatio tapahtui noin 2,5 kertaa hitaammin kuin perinteisessä titaanidioksidissa. Tämä tarkoittaa, että elektronit säilyttävät valosta saatavan energian pidempään, kuin tavanomaisessa titaanidioksidissa, mikä voi lisätä mahdollisuuksia käyttää kyseistä energiaa kemiallisissa reaktioissa.

Tämän tutkimuksen merkitys piilee koko prosessin yhdistämisessä, elektronien sitomisesta happivakansseihin, ympäröivän atomirakenteen muutoksiin ja siitä johtuvaan rekombinaation viivästymiseen. Löydöksiä voitaisiin tulevaisuudessa käyttää sellaisten fotokatalyyttien suunnitteluun, jotka pidättävät elektroneja pidempään hallitsemalla happivakanssien määrää ja jakautumista.

Myös aurinkoenergialla on tällä hetkellä kriittinen rajoitus: materiaalit, jotka absorboivat valoa voimakkaammin, ovat myös yleensä vähemmän tehokkaita muuntamaan talteen otettua valoa sähköksi.

Oxfordin yliopiston johtama tutkimus on tunnistanut uuden puolijohteen, joka ratkaisee tämän valoa keräävien materiaalien keskeisen rajoituksen.

Uudessa tutkimuksessa tutkijat havaitsivat, että vismuttisulfidi näyttää kiertävän tämän rajoituksen. Tämä johtuu sen epätavallisesta energiatasojen järjestyksestä, jonka ansiosta se absorboi valoa voimakkaasti samalla kun se menettää sähkövarauksia hitaammin. Tämä viittaa uuteen tapaan suunnitella tehokkaampia aurinkokennoja.

”Tämän löydön tekee erityisen jännittäväksi se, ettemme ainoastaan paranna olemassa olevaa puolijohdeominaisuutta, vaan tunnistamme erilaisen tavan, jolla puolijohteet voivat käyttäytyä. Tämän mekanismin ymmärtäminen antaa meille tiekartan muiden samankaltaisten edullisten ominaisuuksien omaavien materiaalien löytämiseksi ja mahdollisesti kehittämiseksi.”

— Professori Laura Herz, Fysiikan laitos, Oxfordin yliopisto

Aiheesta aiemmin:

Itseään uudistava katalyytti vetyenergian kestävyyshaasteen

2D-materiaalien nouseva rooli aurinkosähkössä