Ny halvledarbeläggning kan bana väg för framtidens gröna bränslen

Vätgas och metanol för exempelvis bränsleceller eller som råmaterial i kemisk industri skulle kunna produceras mer hållbart med hjälp av solljus visar en ny studie från Uppsala universitet. Där har forskare utvecklat ett nytt beläggningsmaterial för halvledare vilket kan öppna upp för nya möjligheter att framställa bränslen i processer som kombinerar direkt solljus med el. Studien är publicerad i tidskriften Nature Communications.

– Vi har kommit ett steg närmare vårt mål att producera framtidens bränsle från solljus, säger Sascha Ott, professor vid institutionen för kemi vid Uppsala universitet.

Idag produceras vätgas och metanol främst från fossila källor som olja eller naturgas. Ett mer miljö- och klimatvänligt alternativ är att framställa ämnena från vatten och koldioxid med hjälp av hållbar el i så kallade elektrolysatorer. För detta krävs elektrisk energi i form av applicerad spänning.

Forskarna har tagit fram ett nytt material som reducerar den spänning som behövs i processen genom att använda solljus som komplement till el.

För att fånga in solljuset använde de sig av samma typ av halvledare som finns i solceller. Det nya med studien är att halvledaren försågs med ett nytt beläggningsmaterial som tar upp elektroner från halvledaren när solen skiner. Elektronerna blir då tillgängliga för bränslebildande reaktioner som till exempel vätgasproduktion.

Beläggningen är en så kallad metallorganisk ramverksförening, det vill säga ett tredimensionellt nätverk som består av enskilda organiska molekyler som hålls på plats på sub-nanometernivå av små metallkontakter. Molekylerna fångar upp elektronerna som bildas av solljuset och avlägsnar dem från halvledarens yta, där annars oönskade kemiska reaktioner skulle kunna ske. Med andra ord förhindrar beläggningen att systemet kortsluts vilket i sin tur möjliggör en effektiv uppsamling av elektroner.

I tester kunde forskarna visa att deras nya konstruktion kraftigt reducerar spänningen som krävs för att ta ut elektroner från halvledaren.

– Våra resultat tyder på att de innovativa beläggningarna kan användas för att förbättra prestandan hos halvledarna, vilket leder till en mer energieffektiv produktion av bränslen som kräver mindre elektrisk energi, säger Sascha Ott.

För mer information kontakta:
Sascha Ott, professor vid institutionen för kemi vid Uppsala universitet
Tel: 073-6952172 E-post: Sascha.Ott@kemi.uu.se

Referens: Anna M. Beiler et al. (2020), Enhancing photovoltages at p-type semiconductors through a redox-active metal-organic framework surface coating. Nature Communications. DOI: 10.1038/s41467-020-19483-5