Forskere fra CINF, CASE, Stanford University og SLAC National Accelerator Laboratory har i fællesskab udviklet et billigt alternativt til de dyre platin katalysatorer, der i dag bruges til at fremstille hydrogen fra sollys og vand.
Forskere fra DTU har i samarbejde med Jens Nørskovs gruppe på Stanford University og SLAC National Accelerator Laboratory netop offentliggjort resultater i det videnskabelige tidsskrift Nature Materials, der kan spille en vigtig rolle i en fremtidig vedvarende energiforsyning.
Hydrogen er et energirigt og rent brændstof og derfor en mulig erstatning for de fossile brændstoffer. I dag fremstilles hydrogen dog oftest fra naturgas, hvilket medfører store CO2-udledninger. Verden over forsøger forskere derfor at efterligne planternes evne til at producere brændstof fra sollys. Indtil videre er udviklingen dog blevet bremset blandt andet af mangel på billige katalysatorer, det vil sige materialer, der kan sætte fart på spaltningen af vand til hydrogen og oxygen. Nu er det lykkedes forskerne at erstatte den dyre platinkatalysator med et langt billigere materiale af molybden og svovl uden at gå på kompromis med effektiviteten.
DTU-forskerne startede med at udvikle et system, der kunne absorbere solenergi og bruge energien til at omdanne frie hydrogenioner til hydrogengas. Hidtil har processen været afhængig af platin, der er en strålende katalysator, men også et sjældent og dyrt materiale. Ved hjælp af teoretiske beregninger og computersimulationer undersøgte teoretikerne forskellige hydrogenproducerende enzymer i naturen. ”Enzymer er naturens katalysatorer, og de teoretiske resultater hjalp os med at forstå, hvorfor disse enzymer er så effektive”, forklarer den danske professor og CASE leder Jens K. Nørskov, der leder forskningsgruppen på Stanford og SLAC. Studierne viste blandt andet, at molybdensulfid-forbindelser er vigtige for enzymernes katalytiske funktion. ”Molybden er et billigt katalysatormateriale til hydrogenfremstilling og derfor et interessant alternativ til platin”, fortæller professor Ib Chorkendorff fra Grundforskningscenter for Individuel Nanopartikel Funktionalitet (CINF), der medvirker i CASE og har ledet de eksperimentelle forsøg med molybdensulfid.
Kombinationen af teoretiske beregninger og computersimulationer med eksperimentel afprøvning er en ny udvikling inden for katalyseforskning, der historisk har baseret sig på ’trial-and-error’. ”Hvis vi kan lære at designe katalysatorer til præcis de formål, vi har brug for i stedet for blot at søge på må og få blandt tusindvis af materialer, vil det få enorm betydning for udviklingen af katalysatorer”, fortæller Jens Nørskov./02a_si-pillars_semimage_cropped.png)
Forskernes næste skridt var at forbedre systemets evne til at absorbere sollys, et aspekt der har stor betydning for effektiviteten af hydrogenproduktionen. De eksperimentelle forskere på DTU designede en ’miniskov’ af siliciumsøjler, der med deres store overflade absorberer mest muligt sollys. Overfladen af søjlerne blev beklædt med små molybdensulfid-partikler. Når der blev lyst på søjlerne, boblede der hydrogengas op fra systemet med samme effektivitet som ved brug af den dyre platinkatalysator.
/figur_naturemat_dansk.jpg)
Skematisk fremstilling af det ’kunstige blad’. Når sollys rammer siliciumsøjlerne, absorberes energien og bruges til at spalte vand til oxygengas (O2) og frie hydrogenioner. efterfølgende omdannes hydrogenionerne til hydrogengas (H2).
Fremstillingen af hydrogen er imidlertid kun den ene halvdel af sol-vand-systemet, populært kaldet et kunstigt blad. Selvom målet er hydrogen, kan ’bladet’ ikke fungere, hvis der ikke samtidig produceres oxygen, fortæller CASE-leder Søren Dahl, der også har medvirket i projektet. Grupper over hele verden leder derfor også efter katalysatorer til oxygendannelsen.”Dette er den sværeste del af udfordringen, og vi forsøger at løse den efter samme fremgangsmåde som ved arbejdet med molybdensulfid”, forklarer Søren Dahl og tilføjer, at en vedvarende energiforsyning kun er bæredygtig, hvis alle har råd til den. ”Jeg håber, vores resultater vil bidrage til et rent og bæredygtigt brændstof", slutter Jens Nørskov.
Yderligere informationer fås hos professor Ib Chorkendorff, Institut for Fysik, Danmarks Tekniske Universitet, tlf. 45 25 31 70, eller kommunikationsansvarlig Anne Hansen, CASE, Danmarks Teksniske Universitet, tlf: 45 25 31 59, .
Professor Ib Chorkendorff leder Grundforskningscenter for Individuel Nanopartikel Funktionalitet (CINF) ved Institut for Fysik på DTU. Centret finansieres af Danmarks Grundforskningsfond, og centrets formål er at udforske og forstå fundamentale sammenhænge mellem overflademorfologi og reaktivitet på nanometerskala. Molybdensulfid-projektet er desuden medfinansieret gennem Forsknings- og Innovationsstyrelsens Inner Nordic Energy Research-program.
Professor Søren Dahl leder 'Center of Excellence’ Catalysis for Sustainable Energy (CASE), der finansieres af en bevilling fra Videnskabsministeriet. CASE’s mål er at sikre en bedre udnyttelse af vedvarende energi gennem en bedre forståelse af katalytiske processer og udvikling af billige og effektive katalysatorer til at omdanne solenergi til brændstoffer.
Forskningsprogrammerne ved SLAC National Accelerator Laboratory fokuserer på grænseområderne i fotonik, astrofysik, partikelfysik og acceleratorforskning. SLAC ligger i Menlo Park, California og ledes af Stanford University for det amerikanske Energiministerium (DOE).
Professor Jens Nørskov leder SUNCAT-initiativet, der er et DOE Office of Science-sponsoreret forskningscenter ved SLAC i partnerskab med Department of Chemical Engineering, Stanford University. Centret udforsker katalytiske processer til effektiv energiomdannelse. Jens Nørskov er desuden leder af CASE.
Download illustrationer her
Se video af produktion af hydrogen fra sol-vand-systemet. Kredit: CINF, DTU Fysik, DTU
Læs originalartikel "Bioinspired molecular co-catalysts bonded to a silicon photocathode for solar hydrogen evolution", Nature Materials, published online 24. april 2011
Læs mere om fotokatalyseprojektet ved CASE
Hør mere om fotokatalyseprojektet i P1
Læs mere om den teoretiske katalyseforskning ved Stanford/SLAC