Brint er et særligt godt materiale, fordi det kan lagres og bruges, når der er behov for det, også om natten når solen ikke skinner. Spaltningen af vand til ilt og brint – en proces der kaldes fotokatalyse - er dog ikke så ligetil, som det lyder. Solenergien skal først indfanges og overføres til elektroner i et materiale (se også båndgab-gruppen). Derefter skal elektronerne ved hjælp af den ekstra energi drive to vigtige processer; 1) de skal spalte vand til ilt og brint og 2) danne brintgas ud fra den fri brint. Hver proces forløber med en katalysator, som er et hjælpemolekyle, der holder styr på reaktionerne og sætter fart på dem.
|
|
|
Ved hjælp af sollys splittes vand til brint og ilt. |
Netop disse katalysatorer er grundstenen i fotokatalyse-gruppens arbejde og professor Søren Dahl følger ivrigt med i forskernes søgen efter rigtig gode katalysatorer. Han er projektleder for gruppen og håber, deres resultater vil udgøre nogle af brikkerne i det store puslespil det er, at skaffe tilstrækkelig grøn energi til verdens befolkning.
- Som forsker er det utroligt givende at arbejde med noget, der er et så stort behov for ude i samfundet, siger Søren Dahl, der også er vicedirektør for CASE gruppen og derfor har tæt kontakt til alle seks projektgrupper: Elektrokemisk fiksering af N2, Elektrokemisk fiksering af CO2, Design af båndgab, Brændstofsyntese fra syngas og Omdannelse af biomasse til brændstof.
- Min vigtigste opgave er give folk mulighed for at snakke sammen og hjælpe dem til at udføre deres arbejde med mindst mulig forhindringer. Gode ideer opstår jo, når man bringer folk sammen.
Her kan du læse historier om nogle af de forskere, der er tilknyttet fotokatalyse:
Forskningens sporhunde Top
Jan Rossmeisl, lektor, 37 år, teoretisk fysiker
Hai-Yan Su, postdoc, 29 år, kemiker
Isabela Costinela Man, ph.d.-studerende, 29 år, kemiingeniør
Lave ilt eller brint – hvad er sjovest? Begge dele sker i fotokatalysen, men fysiker Jan Rossmeisl er ikke i tvivl om, hvor den største - og sjoveste - udfordring ligger.
- Brint udvikler man i to trin, mens det tager fire trin at udvikle ilt, forklarer Jan og fortsætter:
- Men det er ikke den eneste forskel. Under hvert trin i iltudviklingen skal et forskelligt molekyle binde til et overflademateriale, men der findes bare ikke ét materiale, der kan binde alle molekylerne perfekt. Derfor må man bruge et gennemsnitsgodt materiale, et problem man ikke har med brint.
|
 |
|
De fire trin i iltudvikingen, hvor vand i form af ilt (rød) og brint (hvid) reagerer med et overflademateriale (blå) og til sidst danner frit ilt |
Ifølge Jan er det netop vigtigt som forsker at have lysten til at gå ind i problemerne. De dage man fornemmer, at man er på sporet, er rigtig gode dage. Sammen med ph.d.-studerende Isabela Costelina Man og postdoc Hai-Yan Su er de tre forskere på sporet af et godt overflademateriale til udvikling af ilt. De bedste materialer, man kender til i øjeblikket, er alt for dyre eller sjældne, for eksempel iridiumoxid. Grundstoffet iridium stammer nemlig primært fra meteorer, som jo – i denne sammenhæng - uheldigvis ikke rammer jorden så tit. Hai-Yan har derfor nærstuderet de langt billigere manganoxider, som planter bruger til at lave ilt, men heller ikke de er ideelle i fotokatalysen.
Sporet fører derfor Jan, Isabela og Hai-Yan i en ny retning i deres forskning. Nu vil de undersøge, om man kan bruge en blanding af forskellige materialer i stedet for et enkelt.
- Et materiale som titandioxid har vi masser af. Man bruger det for eksempel som hvidt farvestof i maling og piller, forklarer Isabela og fortsætter:
- Men titandioxid er ikke særlig god til at binde ilt, og ideen er derfor at blande titandioxid med et materiale, som kan binde ilt.
Med sådan en kombination håber de tre forskere at være på rette spor af en løsning på en af udfordringerne i fotokatalyse.
Sammen kan vi mere Top
Billie Abrams, postdoc, eksperimentel fysiker
Yidong Hou, postdoc, 30 år, kemiker
 |
|
Fotograf: Mikkel Strange |
Billie Abrams er blandt de eksperimentelle fysikere, der udvikler og undersøger de materialer, man skal bruge i fotokatalyse. Det er en stor udfordring at finde det bedste materiale, men samarbejde er vejen frem. En af Billies tætte kollegaer er kemiker Yidong Hou fra Kina. Sammen måler de, hvor gode materialerne er til at optage sollys og drive dannelsen af ilt og brint.
- Hver måling fører til ny viden, som kan bruges til at forbedre katalyseprocessen, og sådan kører det i ring, forklarer Billie Abrams. Men Billie og Yidong har også brug for teoretiske fysikere, der kan give gode bud på, hvilke materialer der er værd at undersøge nærmere.
- Samarbejdet mellem teori og eksperimenter er utroligt vigtigt, ellers kan man lede efter det perfekte materiale i en uendelighed, forklarer Billie og Yidong tilføjer:
- Herude er forskerne et team både arbejdsmæssigt og socialt. For eksempel fejrer vi kinesisk nytår sammen hvert år.
Billies forskning i fysik udspringer af en interesse i miljø og natur.
- Fysikken er en af de mest grundlæggende videnskaber, og den giver mig nogle rigtig gode redskaber til at være med til at løse nogle af verdens problemer, for eksempel vores stigende behov for bæredygtig energi, uddyber Billie og fortsætter:
- Realistisk set skal man anerkende, at der er mange detaljer og barrierer i forskning, og det kan godt være, du ikke ser det endelige resultat i dit liv, men det, du har gjort, bidrager måske til en større løsning.
Ikke for meget, ikke for lidt, men lige tilpas Top
Mårten Björketun, postdoc, 33 år, teoretisk fysiker
Kan du huske den om Guldlok og grøden? Hun ville ikke have den for varm og ikke for kold, men lige tilpas. Mårten Björketun er på jagt efter et materiale, der kan binde brint, ikke for stærkt og ikke for svagt. Drømmen er at finde netop det materiale, der er lige tilpas.
For at danne brintgas via fotokatalyse har man brug for en overflade, hvor hydrogenatomer kan mødes og bindes sammen to og to. Hvilket materiale, overfladen består af, er derfor enormt vigtigt for processen. Mårten bruger matematiske beregninger til at forudsige, hvilke materialer der kan have de rigtige egenskaber, men der skal mere end hovedregning til. De komplicerede beregninger kan tage fra en dag til flere uger, og det endda selvom han bruger Danmarks hurtigste computer Niflheim, som kan udføre over 45 billioner regnetrin i sekundet.
Mårten er grebet af fysikken og forståelsen af de mest fundamentale processer, men han vil samtidig gerne se resultater på bordet.
- Det er meget givende, når man kan bevæge sig fra den første ide til konkret anvendelse og forhåbentlig være med til at forbedre udviklingen af grøn energi.
At få øje på det usynlige Top
Fabio Dionigi, ph.d.-studerende, 26 år, eksperimentel fysiker
Peter Vesborg, postdoc, 28 år, civilingeniør
’Tro ikke på noget, før du ser det med egne øjne’. Det er sloganet bag Fabio Dionigis og Peter Vesborgs forskning. De vil måle nøjagtig hvor meget ilt og brint, der dannes under fotokatalyse, og bevise at det kommer fra spaltningen af vand.
Fabio bruger en helt ny metode til at måle udbyttet af ilt og brint, når forskellige materialer udsættes for vand og sollys. Hans forsøg foregår i mikroreaktorer, som er små chip-lignende systemer på størrelse med en tokrone. Her bliver vanddamp ført henover prøven, mens der skinner lys på den. Fabio kan bagefter udtage prøver, som afslører hvor meget ilt og brint, der er blevet dannet – helt ned til en milliontedel af et mikrogram!
Peter forsker i en metode til også at måle fotostrøm i mikroreaktorerne, det vil sige, den overførsel af elektroner, der finder sted, når ilt og brint dannes. Måling af fotostrøm er den gængse metode til at påvise fotokatalyse, men før den kombineres med en måling af det reelle udbytte af ilt og brint, kan man aldrig med sikkerhed vide, om fotostrømmen kommer fra katalyseprocessen.
Lagkager i nanostørrelse Top
Alan Kleiman-Shwarsctein, postdoc, 32 år, materialeforsker
Lagkager i nanostørrelse. Så appetitlig lyder Alan Kleiman-Shwarscteins forskning. Men i stedet for kagebund, flødeskum og syltetøj er ingredienserne metaloxider. Alans nano-tynde lagkager mætter måske ikke meget, men opskrifterne på metaloxider er en vigtig del af forskningen i CASE. I fotokatalyse-gruppen bruges metaloxiderne til at spalte vand til ilt og brint, mens båndgab-gruppen undersøger, hvor meget lys materialerne absorberer.
Selvom Alans konditordrøm stadig er på et tidligt stadie, er der masser af håb at spore hos den unge forsker.
- De sidste 40 år er mennesket blevet i stand til at lave mindre og finere materialer, end man nogensinde troede muligt. Selvom det vil tage generationer at blive rigtig god til at udvinde solens stråler, tror jeg, det vil ske i min levetid, fortæller Alan.
Ikke helt normalt arbejdstøj Top
Thomas Pedersen, postdoc, 30 år, civilingeniør
Anders Bo Laursen, ph.d.-studerende, 26 år, kemiingeniør
Thomas Pedersen er ikke den store fan af smølfer, men alligevel trækker han hver morgen i en blå dragt, der dækker ham fra top til tå. Med kun ansigtet frit, træder Thomas derefter ind i DTU’s reneste rum for at lave mikroskopiske søjler og pyramider.
  |
|
Thomas med blå dragt i renrummet og Anders klædt i laboratoriekittel. |
Når materialer formes som søjler eller pyramider bliver de bedre til at optage sollys, og det er smart, når man vil fange flest muligt af solens stråler. De pudsige former, som Thomas skaber, forbedrer også materialets kontakt til det omkringliggende vand, der skal spaltes til ilt og brint.
En rigtig effektiv spaltning af vand kræver ofte et fint lag af nanopartikler uden på søjlerne eller pyramiderne. Sådanne nanomaterialer er Anders Bo Laursen mester i at skabe. Han former både terninger, rør og spiraler af nanopartikler, men nøjes dog med at have en hvid kittel på, når han arbejder.
- Formen afgør for eksempel, hvor mange kanter materialet har, og det er vigtigt, fordi reaktionerne sker på kanterne, forklarer Anders.
 |
| Fra venstre: Nanowires, nanorør og nanokugle afbilledet af et elektronmikroskop. |
Både Thomas og Anders arbejder med materialer, der er usynlige for det blotte øje, nogle helt ned til en milliardtedel af en meter. Derfor bruger de to forskere avancerede mikroskoper til at kigge materialerne efter i hjørnerne.
- Nogle gange ser de ud, som de skal, andre gange må man på den igen, fortæller både Anders og Thomas, som begge er del af fotokatalyse-gruppen og båndgab-gruppen i CASE.