Áttörés a zöldhidrogén-előállításban: megtalálták a platina olcsóbb alternatíváját

A finn Jyväskylä-i Egyetem kutatói nemzetközi együttműködés keretében tárták fel, miként teszik lehetővé a félvezető anyagok a zöldhidrogén fotoelektrokémiai úton történő előállítását. Az atomi szintű szimulációk és a nagy pontosságú spektroelektrokémiai kísérletek azonosították a hidrogénfejlődési reakció alapvető mechanizmusait egy prototípusnak számító titán-dioxid félvezetőn.

A kutatás egy korábban ismeretlen jelenséget is azonosított: az elektródpotenciál alkalmazása helyi töltésközpontokat, úgynevezett polaronokat hoz létre, amelyek aktiválják a hidrogénfejlődési reakciót a felületen.

A jelenleg leghatékonyabb elektrokatalizátorok olyan ritka és drága nemesfémeken alapulnak, mint a platina, ami jelentősen korlátozza a hidrogéntermelés ipari léptékű bővítését. A félvezetők ezzel szemben gyakoribb és gazdaságosabb elemeket használnak, ám a fejlesztésüket eddig lassította, hogy tulajdonságaikat nem teljesen értettük – erre találtak megoldást a finnek.

A kutatók közleményben mutatták be a vizsgálathoz alkalmazott új számítási metódust, az ún. „állandó belső potenciálú sűrűségfunkcionál-elméletet”.

„Két éve fejlesztettük ki ezt az eljárást, amely új lehetőségeket nyit a félvezető elektródák modellezésében. Szimulációink megmutatták, hogyan és miért teszi lehetővé az elektródpotenciál megváltoztatása a hidrogéntermelést a titán-dioxidon. A számításaink alapján azt jósoltuk, hogy polaronok jönnek létre a felületen, amelyek katalizálják a folyamatot” – mutatott rá Marko Melander, az egyetem akadémiai kutatója.

A Nature Communicationsben közölt tanulmány szerint az elméleti jóslatokat rendkívül komplex kísérleti módszerekkel – köztük fotoelektrokémiai Raman-mérésekkel és működés közbeni fotoelektron-spektroszkópiával – ellenőrizték. Karoliina Honkala professzor azt állítja, a mérések közvetlenül megerősítették, hogy az elektródpotenciál szabályozásával létrehozott töltésközpontok elindítják a reakciót a titán-dioxidon, és vélhetően más félvezetőkön is.

Ez a jelenség a hagyományos fémelektródákon nem figyelhető meg. A kutatók szerint a polaronok kialakulása lehetővé teszi, hogy a félvezetők kikerüljék azokat a specifikus összefüggéseket, amelyek a fémek esetében elméleti határt szabnak a katalitikus aktivitásnak. Ez a felfedezés alapjaiban megváltoztathatja a jövő katalizátorainak tervezését és a költséghatékony energiaátalakító technológiák fejlesztését.

Gábor János, NEW technology