Hydrogenproduksjon – fotokatalytiske materialer

Lager fremtidens hydrogen ved å omdanne sollys til UV-stråler

Per-Anders Stensby Hansen har funnet ut hvordan det er mulig å produsere ren hydrogen med sollys.

Per Anders Stensby Hansen designer materialet sitt – atomlag for atomlag – i en avansert maskin som kalles for atomlagsdeponering.
Per Anders Stensby Hansen designer materialet sitt – atomlag for atomlag – i en avansert maskin som kalles for atomlagsdeponering. (Foto: Ola Sæther, Apollon)

Per-Anders Stensby Hansen har funnet ut hvordan det er mulig å produsere ren hydrogen med sollys.

  • energi

Hydrogen kan bli en av de viktigste og reneste energikildene i fremtiden. Når hydrogen forbrennes, dannes det vanndamp. Intet annet. Det store spørsmålet er hvordan hydrogen kan fremstilles renest mulig. Per-Anders Stensby Hansen på Kjemisk institutt har nå funnet løsningen på hvordan det er mulig å produsere ren hydrogen med sollys.

For ti år siden tok han doktorgraden på hvordan det var mulig å lage mer effektive solceller ved å omdanne UV-lys til sollys. Nå har han snudd problemstillingen på hodet. Nå forsker han på hvordan det er mulig å produsere hydrogen ved å omdanne synlig lys til UV-lys.

Her bruker han noe som kalles for fotokatalytiske materialer. Dette er materialer som setter i gang kjemiske reaksjoner når sollyset skinner på dem. Et av de mest kjente er titanoksid. Titanoksid har den helt spesielle egenskapen at det kan rive vannmolekyler fra hverandre og danne hydrogen og oksygen når sollyset skinner på det.

Likevel brukes ikke dette materialet til å produsere hydrogen i dag. Forklaringen er at titanoksid absorberer lite sollys. Det er derfor langt mer energieffektivt å produsere hydrogen med elektrolyse. Selv om strømmen til elektrolysen dannes med solceller, ville det ha vært mye bedre om man kunne bruke titanoksid til å produsere hydrogenet direkte. Da sparer man både materialer og det å måtte gå omveien om elektrolyse.

Dagens svakhet

Den store svakheten er at titanoksid uheldigvis bare kan absorbere den svært lille andelen av sollyset som inneholder UV-lys. Mens UV-strålingen utgjør en til to prosent av sollyset, utgjør det synlige sollyset en tredjedel av energien i sollyset. Det er ikke akkurat effektivt å la mesteparten av solenergien gå til spille.

– Hvis industrien skal bruke solenergi til å fremstille hydrogen, må sollyset utnyttes mye bedre, poengterer Per-Anders Stensby Hansen, som både er forsker i Solenergigruppen på Institutt for energiteknikk og ved Senter for materialvitenskap og nanoteknologi på Kjemisk institutt ved Universitetet i Oslo.

Stensby Hansen undersøker hvordan det er mulig å konvertere sollys til UV-lys for å få best mulig effekt av de fotokatalytiske egenskapene i titanoksidet.

Trikset hans er ikke å endre på titanoksidet, men å legge på en nanotynt lag. Det er nettopp dette laget som skal omdanne det synlige lyset til UVlys slik at titanoksidet får mest mulig UV-lys. Da vil det være mulig å produsere mye mer hydrogen.

Trikset

Som kjent består lys av lyspartikler. Lyspartikler kalles for fotoner. Det store poenget til Stensby Hansen er å ta tak i fotoner med lav energi og sende dem ut som fotoner med høy energi.

Fotonene fra det synlige lyset har lavere energi enn fotonene fra UV-lyset. To røde fotoner har like mye energi som ett UV-foton. Regnestykket er derfor av det meget enkle slaget:

– Vi må få tak i to røde fotoner og sy dem sammen til ett UV-foton.

For å klare dette må Stensby Hansen lage en såkalt energistige. Hver gang et foton treffer et ion (et ladet atom), skal energien økes lite grann. Så sendes fotonet til neste ion. Og til et tredje ion.

– Hver gang ionet treffes av et foton, får det tilført ekstra energi.

Hydrogen som energikilde

• Hydrogen kan bli fremtidens reneste energikilde.

• Når hydrogen forbrennes, blir avfallsstoffet vanndamp.

• Spørsmålet er hvordan hydrogenet kan fremstilles renest mulig.

• Når sollyset treffer fotokatalytiske materialer, dannes det kjemiske reaksjoner.

• Ett fotokatalytisk materiale er titanoksid. Når lyset treffer titanoksiden, kan vanlig vann spaltes til hydrogen og oksygen.

• Titanoksid absorberer bare den lille delen av sollyset som er UV-lys. Resten av lyset går til spille. • Stensby Hansen ønsker å utnytte mer av sollyset. Han har derfor spesialdesignet et materiale som skal legges oppå titanoksiden. Det nye laget skal omdanne vanlig sollys til UV-lys. Da kan det produseres mer hydrogen.

Stensby Hansen skal med andre ord lage en energistige som sørger for at det dannes nok energi til å lage UV-fotoner.

Selv om dette høres avansert ut, er energistigen ingen nyhet i seg selv. Den ble oppfunnet allerede for 60 år siden og brukes i dag i en rekke teknologier, der man ønsker å gjøre om lavenergilys til høyenergilys. Ett eksempel er fra den medisinske verden. Biomarkører kan ta med seg fotokatalytiske stoffer inn i kreftceller. Når disse stoffene blir bestrålt med infrarødt lys – som er lys med meget lav energi – vil stoffene omdanne lyset til UV-lys og drepe kreftcellene innenifra.

Selv om metoden er velkjent, inneholder den en stor svakhet. Ionene i energistigen absorberer sollyset meget dårlig.

– Denne teknologien er derfor aldri blitt brukt til å høste energi.

For å få bedre tak i sollyset skal Stensby Hansen ta i bruk noe som kalles for antenne, eller sensitizer på engelsk. Da vil systemet bli mer «følsomt». Antennen har den spesielle egenskapen at den absorberer lys og sender energien videre. Dette er heller ikke nytt, men det er nå den store utfordringen kommer.

For å lage et system som genererer mest mulig energi, må forskerne finne den antennen som fungerer best med energistigen.

Det store problemet er at de materialene som må brukes til energistigen, ikke passer sammen med de materialene som absorberer sollys.

Les også

Utfordringen

Stensby Hansen har dessuten enda en utfordring. I energistigen må ion 1 kommunisere med ion 2, som igjen må kommunisere med ion 3, men ion 1 må for all del ikke kommunisere direkte med ion 3. Samtidig må ionene bare ligge en nanometer (en milliontedels millimeter) fra hverandre. Ellers fungerer ingenting.

De rette stoffene forsterker absorpsjonen av sollyset med et sted mellom hundre tusen og én million ganger. En av mulighetene hans er å bruke fargestoffer. Fargestoffer har de ønskede egenskapene, men de reagerer uheldigvis på både løsemidler og luft. Det er ikke akkurat så smart. Ønsket er jo å lage så stabile materialer som mulig.

– Det er grisete å sette sammen atomer fra forskjellige materialklasser i nanostrukturen. Mange forskere har prøvd seg på dette. Det er en del praktiske problemer med hva vi kan kna og putte sammen, men vi har nå begynt å få det til, stråler Stensby Hansen.

Atomlag for atomlag

For å komme i mål bruker han en avansert maskin som kalles for atomlagsdeponering. Her kan forskerne kontrollere nanostrukturen ved å legge på ett og ett atomlag om gangen.

– Vi kan dessuten kombinere mange forskjellige stoffer og svitsje mellom materialklasser.

– Hvor mange lag trenger dere?

– De beste strukturene inneholder seks til sju ulike nanolag. Så repeterer vi denne strukturen hundre ganger.

Da har de et «tykt» nok materiale til å kunne konvertere sollys til UV-stråler. Likevel blir materialet deres ikke mye tykkere enn 100 nanometer. Det er lite. Hvis materialet skal dekke et område like stort som en fotballbane, vil det bare veie noen få gram.

Ett av grunnstoffene i den avanserte, kjemiske strukturen er thulium. Thulium utvinnes først og fremst i Kina. Hvert år produseres det 50 tonn thuliumoksid på verdensbasis. Ettersom thulium er ganske sjeldent og vanskelig å utvinne, er prisen for ett gram thulium 50 amerikanske dollar.

Selv om det høres dyrt og dristig ut å gjøre seg avhengig av thulium, påpeker Stensby Hansen at han trenger svært små mengder av dette sjeldne jordmetallet for å høste energi. Det skal bare legges inn et atom her og der.

– Er materialet ditt miljøvennlig?

– Svaret er både ja og nei. Ingen av stoffene er spesielt giftige. Og som sagt trenger vi svært lite av det. Og når materialet deres er klart, skal det altså legges oppå titanoksid. Da kan det brukes til å produsere ren hydrogen i fremtiden.

Artikkelen ble først publisert av Apollon.

Les også

Kommentarer (3)

Kommentarer (3)

Eksklusivt for digitale abonnenter

På forsiden nå