Kuinka puolijohde-elektrodit voivat tuottaa vihreää vetyä

Elektrokatalyysillä ja fotoelektrokatalyysillä on keskeinen rooli puhtaan energian muuntamisen ja lukuisten muiden kestävien prosessien ja teknologioiden helpottamisessa.

Tehokkaimmat tällä hetkellä saatavilla olevat katalyytit perustuvat kuitenkin jalometalleihin, erityisesti platinaan. Näiden materiaalien korkea hinta ja rajallinen saatavuus hidastavat vedyn tuotannon laajenemista ja nostavat kustannuksia.

Siksi uusien, edullisempien mutta silti erittäin tehokkaiden katalyyttimateriaalien kehittäminen on ratkaisevan tärkeää kustannustehokkaan ja laajamittaisen vedyn tuotannon saavuttamiseksi.

Tässä puolijohdemateriaalit ovat yksi mahdollinen, mutta suhteellisen vähän tutkittu vaihtoehto vedyn kehitykselle.

”Toisin kuin perinteiset metallipohjaiset katalyytit, puolijohdemateriaaleissa voidaan hyödyntää yleisempiä ja edullisempia alkuaineita. Puolijohteisten elektrodien kehitystä on kuitenkin hidastanut se, että niiden sähkökemiallisia ja katalyyttisiä ominaisuuksia ei tunneta hyvin”, selittävät tutkimusta johtaneet professori Karoliina Honkala ja akatemiatutkija Marko Melander Jyväskylän yliopistosta.

JYU:n tutkijat kehittivät uuden laskennallisen lähestymistavan puolijohteiden sähkökemian tutkimiseen Puolijohteista sähkökemiaa on tutkittu vähemmän kuin metallien sähkökemiaa, suurelta osin saatavilla olevien tutkimusmenetelmien rajoitusten vuoksi.

Melander ja Honkala ovat kuitenkin äskettäin voittaneet tämän rajoituksen kehittämällään menetelmällä, joka avaa uusia mahdollisuuksia puolijohde-elektrodien mallintamiseen.

"Tässä tutkimuksessa sovelsimme menetelmää vedynkehitysreaktion tutkimiseen TiO2- puolijohteisella elektrodilla. Simulaatiomme osoittivat, miten ja miksi elektrodipotentiaalin muuttaminen johtaa vedyn tuotantoon TiO2:lla. Yhteistyössä kumppaneidemme kanssa tehtyjen laskelmien avulla ennustimme, että TiO2 -pinnalle muodostuu paikallisia varauskeskuksia, polaroneja, jotka katalysoivat vedynkehitystä", Melander selittää.

Löydetty elektrodipotentiaalin säätelemä polaronien muodostuminen on aiemmin tuntematon ilmiö sähkökemiassa, eikä sitä esiinny perinteisillä metallielektrodeilla.

"Havaitsimme, että polaronien muodostuminen mahdollistaa puolijohde-elektrodien välttää niin sanottuja skaalaussuhteita, jotka metallielektrodeilla rajoittavat saavutettavaa katalyyttistä aktiivisuutta. Löytömme potentiaaliriippuvaisesta polaronien muodostumisesta voi johtaa uusiin lähestymistapoihin skaalaussuhteiden välttämiseksi ja siten katalyyttien suunnittelun parantamiseksi", Honkala ja Melander ennustavat.

Äskettäin julkaistun tutkimukseen osallistui Jyväskylän yliopiston lisäksi useita tutkijoita eri kiinalaisista yliopistoista ja tutkimuslaitoksista.

Aiheesta aiemmin:

Kestävämpää ja halvempaa vetyä

Vihreää vetyä ja eteeniä