Lysabsorberende materialer

Jagten på materialer til udnyttelse af solenergi intensiveres

torsdag 29 jan 15
|
af Anne Hansen

Kontakt

Karsten Wedel Jacobsen
Professor
DTU Fysik
45 25 31 86

I disse år foregår der en intens jagt på materialer, der kan bruges til at omdanne sollys til brændstoffer. Mængden af materialer er dog overvældende og forskerne har brug for pålidelige metoder, der hurtigere kan bringe dem fremad i deres søgen efter eksempelvis gode lysabsorberende materialer. Forskere fra DTU Fysik har nu påvist en sådan metode.

En af de mest lovende metoder til udnyttelse af solenergi - og dermed en potentiel løsning på problemerne med de forurenende og begrænsede fossile brændstoffer - er at brug solens energi til at spalte vand og derfra producere nye brændstoffer. Processen med absorption af sollys og spaltning af vand (eller et andet materiale) kaldes for fotokatalyse.

Hele tre ting på en gang
Spaltning af vand ved fotokatalyse kræver dog et materiale, der ikke blot absorberer mest muligt af Solens lys, men også helst den synlige del af lysspektret. Og for virkelig at gøre en forskel på det globale energiforbrug skal materialet selvfølgelig også være billigt. Den slags materialer er der desværre bare ikke mange af.

Som at finde en nål i en høstak
Jagten på et godt fotokatalytisk materiale kan bedst sammenlignes med lægernes jagt på et lægemiddel mod kræft eller en vaccine mod Ebola. Lige som lægemiddelindustrien har brug for metoder til lynhurtigt at screene de tusindvis af mulige stofkombinationer, hvoraf måske kun én har de helt rigtige egenskaber, så har energiforskerne brug for hurtige og pålidelige metoder til at undersøge og identificere de materialer, som kunne være gode til vandspaltning. Disse materialer kan så efterfølgende underkastes mere detaljerede og tidskrævende analyser.

"Når vi prøver at finde et materiale, der kan bruges til vandspaltning, er det lidt som at lede efter nålen i høstakken. De eksperimentelle databaser rummer titusindvis af materialer, hvor man ved en hel masse om fx deres krystalstrukturer eller deres magnetiske og elektriske egenskaber. Når det kommer til hvor gode materialerne er til at drive vandspaltningsprocessen er der derimod et stort sort hul," fortæller professor Karsten Wedel Jacobsen fra DTU Fysik.

Nyt værktøj til eftersøgningen af egnede materialer
Sammen med forskere fra MIT og Lawrence Berkeley National Laboratory har DTU-forskerne nu beskrevet en metode til hurtigt men stadigt pålideligt at screene materialedatabaser. Resultaterne er offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Advanced Energy Materials og har tilmed indbragt DTU-forskerne forsiden af den trykte udgave af tidsskriftet i februar måned.

Ud fra en database med 2400 materialer med kendte krystalstrukturer, men med ukendte egenskaber i forhold til vandspaltningsprocessen, har forskerne vist, at en hurtig teoretisk beregningsmetode med stor pålidelighed også kan bruges til at identificere gode lysabsorberende og vandspaltende materialer. Ud af de 2400 materialer fandt forskerne 25 interessante kandidater og ved nærmere analyse viste det sig, at af disse 25 havde fem materialer realistiske muligheder for at blive brugt som fotokatalytiske materialer.

"Vores fremgangsmåde vil forhåbentlig hjælpe i jagten på nye og bedre metoder til at udnytte solenergi", siger Karsten Wedel Jacobsen.

Læs artiklen:
New Light-Harvesting Materials Using Accurate and Efficient Bandgap Calculations
 Ivano E. Castelli, Falco Hüser, Mohnish Pandey , Hong Li , Kristian S. Thygesen , Brian Seger, Anubhav Jain, Kristin A. Persson, Gerbrand Ceder, and Karsten W. Jacobsen
Advanced Energy Materials 2015, 5, 1400915