Nu kan vätgas från solenergi tillverkas effektivt utan bristmetallen platina

Vätgas spelar en nyckelroll i den globala jakten på förnybar energi, då den enda restprodukten från användningen är vatten. Men för att kunna tillverka vätgasen på ett både storskaligt och miljövänligt sätt återstår stora utmaningar. En av dessa är att den dyra ädelmetallen platina används som hjälpkatalysator i den kemiska process där vätgas framställs ur vatten med hjälp av solenergi. Förutom att metallen inte skulle räcka på sikt, är brytningen av en av världens dyraste metaller förenad med risker för miljö och hälsa. Produktionen är dessutom koncentrerad till ett fåtal länder, som Sydafrika och Ryssland. 

I en ny studie, som publicerats i den ansedda tidskriften Advanced Materials, visar forskarna hur vätgas från solenergi kan framställas på ett effektivt sätt helt utan platina. Reaktionen sker i vatten, där mängder av minimala partiklar av elektriskt ledande plast samspelar med solljuset och sin omgivning.

– Att kunna producera vätgas både effektivt och hållbart med hjälp av solens strålar – helt utan platina – har länge varit en dröm. Genom smart materialdesign har vi nu lyckats åstadkomma effektiv fotokatalys till en mycket lägre kostnad. Resultaten visar till och med att tekniken kan prestera bättre än dagens platinabaserade system, säger Chalmersforskaren Alexandre Holmes, som tillsammans med Jingwen Pan från Jiefang Zhus forskargrupp vid Uppsala universitet är delad försteförfattare till studien.

Botad vattenrädsla bakom framgången

Arbetet för att lösa knäckfrågan med platinan har pågått under flera år i professor Ergang Wangs forskargrupp på Chalmers.

Hemligheten bakom den nya tekniken är avancerad materialdesign av den elektriskt ledande plast som används i produktionen. Plasten, som går under samlingsnamnet konjugerade polymerer, tar upp ljus mycket effektivt, men fungerar sämre i vatten.

Genom att justera materialegenskaperna på molekylnivå har forskarna gett plasten mer vattenvänliga egenskaper.

 – Vi har också utvecklat ett sätt att skapa minimala partiklar, nanopartiklar, av plasten som samspelar bättre med vatten så att den kemiska processen blir effektiv. Genom att partiklarna inte binder så hårt till varandra förbättras förutsättningarna för vätgasproduktionen, säger Alexandre Holmes.

I reaktorn på kemilabbet på Chalmers går det att se med blotta ögat hur vätgasen effektivt bildas med hjälp av fotokatalys. När en lampa med starkt ljus, som efterliknar solens strålar, riktas mot vattenbägaren med nanopartiklarna börjar små bubblor av vätgas nästan omedelbart färdas upp genom vattnet. De leds via rör till en vätgasbehållare och mängden producerad gas går att läsa av i realtid.

– Med hjälp av så lite som ett gram av polymermaterialet kan vi tillverka 30 liter vätgas på en timme, säger Alexandre Holmes.

Genom ett nyligen publicerat framsteg från forskarkollegor på Chalmers, kan den elektriskt ledande plasten också tillverkas utan giftiga kemikalier och på ett mycket mer kostnadseffektivt sätt.

Vill undvika en dyr vitamin

Nästa stora steg för Ergang Wangs forskargrupp är att få vätgasprocessen att fungera helt utan hjälpkemikalier. Idag använder de den välkända antioxidanten vitamin C för att den kemiska processen inte ska stanna av. Vitaminen gör vätgasproduktionen effektiv, men problemet är att den är dyr.

– Att vi nu kan ta bort platina ur systemet är ett genombrott för hållbar vätgasproduktion. Nästa steg är att utveckla material som klarar fullständig vattenspjälkning utan tillsatser, med endast solljus som energikälla. Det arbetet kommer att ta några år, men vi tror att vi är på rätt väg, säger forskningsledaren Ergang Wang, professor vid institutionen för kemi och kemiteknik vid Chalmers.

Mer om den vetenskapliga artikeln

• Studien Highly Efficient Platinum-Free Photocatalytic Hydrogen Evolution From Low-cost Conjugated Polymer Nanoparticles har publicerats i Advanced Materials. Artikeln är skriven av Alexandre Holmes, Jingwen Pan, Li Wang, Leandro Franco, Rafael R. Bicudo, Bo Albinsson, C. Moyses Araujo, Weiguo Zhu, Dongbo Wang, Thuc-Quyen Nguyen, Jiefang Zhu och Ergang Wang. Vid studiens genomförande var forskarna verksamma vid Chalmers tekniska högskola, Uppsala universitet och Karlstads universitet i Sverige, University of São Paulo i Brasilien, Harbin Institute of Technology och Changzhou University i Kina och University of California i USA.
• Forskningen har finansierats av Vetenskapsrådet, Formas, Energimyndigheten och Wallenbergstiftelserna.

Mer om elektriskt ledande plast

• Elektriskt ledande plast går även under namnet konjugerade polymerer. Det är plastmaterial som fungerar som halvledare, på ett liknande sätt som kisel. Tack vare dessa egenskaper kan man utveckla en ny typ av teknik – organisk elektronik. Den elektriskt ledande plasten är flexibel och kan användas inom många områden, till exempel för energiomvandling och energilagring, bärbar elektronik, elektroniska textilier och bioteknologi som används i anslutning till eller nära kroppen.
• Det har bedrivits forskning under längre tid för att få konjugerade polymerer stabila och förbättra deras elektriskt ledande egenskaper. 
• Upptäckten att vissa typer av plast kan leda elektricitet gjordes redan under 1970-talet och belönades med Nobelpriset i kemi år 2000.Pristagarna var Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid och Hideki Shirakawa.

Kort om vätgas

• Vätgas är en energibärare som används för att transportera, lagra och leverera energi, på samma sätt som elektricitet.
• Vätgas kan produceras från olika typer av energikällor: fossila, fossilfria och förnybara.
• Vätgas har stor potential i förnybara energisystem, där den kan framställas med hjälp av exempelvis sol och vind.
• I dag används vätgas runt om i världen för att lagra sol- och vindenergi, göra bostäder självförsörjande på energi och som bränsle i fordon utan skadliga utsläpp.
• Läs mer på Vätgas Sveriges hemsida.