Finští vědci odhalili klíč k levnějšímu zelenému vodíku: Polovodiče a nový jev

Vědci z finské Univerzity v Jyväskylä dosáhli významného průlomu v oblasti výroby zeleného vodíku. Jejich výzkum ukázal, že polovodičové elektrody mohou efektivně produkovat zelený vodík prostřednictvím (foto)elektrochemie.

Vědci z finské Univerzity v Jyväskylä dosáhli významného průlomu v oblasti výroby zeleného vodíku. Jejich výzkum ukázal, že polovodičové elektrody mohou efektivně produkovat zelený vodík prostřednictvím (foto)elektrochemie. Tým pod vedením profesorky Karoliiny Honkaly a docenta Marka Melandera odhalil základní mechanismy reakce vývoje vodíku na prototypovém polovodiči z oxidu titaničitého (TiO2) pomocí atomárních simulací a přesných (spektro)elektrochemických experimentů, což otevírá cestu k vývoji nových materiálů pro výrobu vodíku.

Na rozdíl od tradičních katalyzátorů na bázi kovů mohou polovodičové materiály využívat běžnější a méně nákladné prvky. Rozvoj polovodičových elektrod však dosud brzdila nedostatečná znalost jejich elektrochemických a katalytických vlastností. Vědci vyvinuli nový přístup nazvaný teorie funkcionálu hustoty s konstantním vnitřním potenciálem, který umožňuje zahrnout potenciál elektrody do simulace polovodičové elektrochemie.

Marko Melander, který vedl výzkum, uvedl, že tato metoda, vyvinutá před dvěma lety, otevírá nové možnosti pro modelování polovodičových elektrod. V rámci studie ji aplikovali na reakci vývoje vodíku na elektrodě z TiO2. Jejich simulace ukázaly, jak a proč změna potenciálu elektrody vede k produkci vodíku na TiO2. Výpočty provedené ve spolupráci s partnery předpověděly, že na povrchu TiO2 se tvoří lokální nábojová centra, takzvané polarony, která katalyzují vývoj vodíku.

Experimentální ověření a validace výpočetních výsledků představovaly značnou výzvu, která vyžadovala použití vysoce pokročilých experimentálních metod. K ověření výpočetních výsledků byly například použity špičkové fotoelektrochemické Ramanovy měření, in situ elektronová rezonanční spektroskopie a operando fotoelektronová spektroskopie. Profesorka Honkala vysvětlila, že experimenty byly mimořádně náročné a časově zdlouhavé, nicméně přímo potvrdily, že změnou potenciálu elektrody lze na povrchu TiO2 vytvářet polarony. Tato nábojová centra pak pohánějí reakci vývoje vodíku na TiO2 elektrodách a pravděpodobně i na dalších polovodičích.

Výzkumný tým také zjistil, že tvorba polaronů řízená potenciálem elektrody je dosud neznámý jev v elektrochemii a nevyskytuje se na konvenčních kovových elektrodách. Předpokládá se, že tento jev by mohl být využit při budoucím návrhu katalyzátorů a vývoji materiálů. Honkala a Melander předpovídají, že tvorba polaronů umožňuje polovodičovým elektrodám vyhnout se takzvaným „škálovacím vztahům“, které na kovových elektrodách omezují dosažitelnou katalytickou aktivitu. Jejich objev tvorby polaronů závislé na potenciálu může vést k novým přístupům, jak se těmto omezením vyhnout, a tím k výraznému zlepšení návrhu katalyzátorů.