Denne artikkelen er produsert og finansiert av Universitetet i Sørøst-Norge - les mer.

Et nytt materiale basert på titan åpner for muligheten til å produsere grønt hydrogen fra solenergi, helt uten skadelige utslipp.
Et nytt materiale basert på titan åpner for muligheten til å produsere grønt hydrogen fra solenergi, helt uten skadelige utslipp.

Nytt materiale kan bruke solenergi til å produsere grønt hydrogen

Dette kan gjøre hydrogenproduksjonen mye mer effektiv.

Hydrogen kan bli en viktig grønn kilde til energi i fremtiden, men fortsatt er det en del hindringer i veien for at det kan skje. Produksjon av hydrogen er energikrevende, og denne energien kommer ofte fra kilder som ikke er særlig grønne.

Merkelappen «grønt hydrogen» betyr at den er produsert med fornybar kraft, som vann, vind og sol.

Hva om vi kan produsere grønt hydrogen ved hjelp av solenergi, slik at vi helt unngår å bruke energi fra fossilt brennstoff?

Dette vil kreve ny teknologi som enda ikke er ferdig utviklet.

Chaoqun Cheng ved Universitetet i Sørøst-Norge har arbeidet med disse utfordringene i sin forskning.

Han har utviklet et nytt materiale basert på titan. Det åpner for muligheten til å produsere grønt hydrogen fra solenergi, helt uten skadelige utslipp.

– Så vidt vi vet, er det ingen som har fått til dette tidligere, men med vår prosess der vi bruker nanoteknologi, kan vi absorbere mer energi fra synlig sollys og utnytte denne energien til å utføre fotoelektrokjemisk vannsplitting av hydrogen, sier han.

Chaoqun Cheng har utviklet det nye materialet som en del av doktorgradsarbeidet sitt.
Chaoqun Cheng har utviklet det nye materialet som en del av doktorgradsarbeidet sitt.

Hydrogenproduksjon bringer med seg utfordringer

Cheng sier at verden kommer til å trenge hydrogen som en viktig energibærer, i årene fremover. Derfor er viktig å utvikle mer effektive metoder for produksjon av hydrogen.

I dag produseres 95 prosent av alt hydrogen ved hjelp av såkalt dampreformering. Det går ut på at damp reagerer med naturgass og omdannes til hydrogen og karbondioksid.

Dette innebærer altså potensielt store utslipp av karbon. Metoden må eventuelt kombineres med CO2-fangst for å bli bærekraftig.

I tillegg produseres også noe hydrogen ved hjelp av elektrolyse der vann splittes til hydrogen og oksygen ved hjelp strøm, men dette krever også mye energi som potensielt kan komme fra fossilt brennstoff.

Jakten på et bedre materiale

En variant av denne metoden har også vært utprøvd. Et materiale effektiviserer prosessen med å splitte vann til hydrogen og oksygen når det utsettes for sollys. Problemet har vært å finne et materiale som gjør dette på en effektiv nok måte.

Titandioksid har et potensial. Materialet er lett tilgjengelig, billig og stabilt.

Men rent titandioksid har likevel ikke de rette egenskapene fordi det skaper elektrisk spenning når det utsettes for ultrafiolett lys. Dermed går man glipp av energien som befinner seg i det synlige spekteret av lyset.

Det er her arbeidet til Cheng kommer inn.

Han ønsket å forbedre egenskapene til titanoksid slik at det kan fange opp energi fra et større spekter av frekvenser, og dermed bidra til å produsere hydrogen mer effektivt.

Denne modellen illustrerer hvordan vannsplitting kan foregå ved hjelp av solenergi.
Denne modellen illustrerer hvordan vannsplitting kan foregå ved hjelp av solenergi.

Nytt materiale fanger mer lys

Han behandlet overflaten til materialet med ulike prosesser som gir det en ny nanostruktur.

Cheng fant fram til en prosess som ga gode resultater: Varmebehandling i kombinasjon med bestemte gasser og påvirkning av overflaten med kjemiske stoffer.

Resultatet er et titanoksid-nanokompositt-materiale som fanger opp lys i et betydelig større spekter enn rent titanoksid. Materialet utnytter sollyset mye mer effektivt enn før.

Noe av grunnen til at dette fungerer, er ifølge Cheng at det oppstår en såkalt plasmonisk effekt når lys med en bestemt frekvens treffer nanopartiklene i overflaten av materialet. Dette skal være første gang denne effekten er funnet i denne sammenhengen.

Plasmonisk effekt handler om en vekselvirkning mellom lysets fotoner og svingninger i partikkelens elektroner, som kalles plasmoner.

Cheng har testet alt dette i laboratoriet ved å bruke titanoksid-kompositt-materialet som elektrode i et elektrolyseoppsett, og det ga gode resultater.

– Vi testet materialet i laboratoriet med en kunstig lyskilde, og bildene vi tok, viser hydrogen som bobler frem fra overflaten av fotoelektroden. Målingene våre viste at effektiviteten var betydelig høyere enn for kontrollmaterialet, forklarer han.

Forenklet illustrasjon av behandlingen materialet går gjennom, sammen med mikroskopbilder tatt underveis.
Forenklet illustrasjon av behandlingen materialet går gjennom, sammen med mikroskopbilder tatt underveis.

Tro på teknologien

Solberg-regjeringen innførte en egen hydrogenstrategi i 2020.

Støre-regjeringen har videreført denne. Myndighetene ønsker «å bygge opp en sammenhengende verdikjede innen hydrogen der produksjon, distribusjon og bruk utvikles parallelt og sette et mål om årlig produksjon av blå og grønt hydrogen innen 2030».

Cheng trekker spesifikt frem hvordan den nye teknologien han har utviklet, kan være med å bidra til å nå dette målet. Riktignok er det mye arbeid som gjenstår, blant annet på grunn av kostnader, men han har tro på at teknologien kan utvikles videre:

– Selv om kostnaden for grønt hydrogen er for høy nå, tror vi at denne teknikken kan bli mer effektiv i fremtiden. Slik kan kostanden bli stadig lavere og vi kan skalere opp produksjonen til et nivå som er konkurransedyktig med fossilt brensel, sier han.

Bilde tatt i forbindelse med gjennomføring av eksperiment. Boblene som pipler frem på elektroden er hydrogen.
Bilde tatt i forbindelse med gjennomføring av eksperiment. Boblene som pipler frem på elektroden er hydrogen.

Referanser:

Chaoqun Cheng: Visible light responsive titanium-oxides for enhanced photoelectrochemical water splitting application. Doktorgradsavhandling ved Universitetet i Sørøst-Norge, 2022.

Powered by Labrador CMS