Siliciumkarbid Forbedrer Som En Kandidat Til Hydrogenfotokatalyse

Hvorfor Hydrogen Er Væsentligt For Dekarbonisering

Efterhånden som jagten på at dekarbonisere vores energisystemer fortsætter, bliver det klart, at nogle processer måske kræver mere end blot grøn elektricitet. Dette gælder muligvis for transport, især tunge opgaver som busser og lastbiler, helt sikkert for skibsfart og flyvning, og er lige så nødvendigt for tung industri som stålproduktion og kemisk fremstilling.

Årsagen er, at nogle anvendelser enten kræver meget høj temperatur ved forbrænding (metallurgi), levering af energirige hydrogenatomer uden brug af metan (kemisk industri) eller et meget energitæt brændstof (skibsfart), hvor elektrisk strøm og batterier simpelthen ikke er tilstrækkelige.

“Personbiler kan have et batteri, men tunge lastbiler, skibe eller fly kan ikke bruge et batteri til at lagre energien. For disse transportmidler skal vi finde rene og vedvarende energikilder, og hydrogen er en god kandidat.”
Jianwu Sun – lektor ved Linköping University

Det er derfor, forskere og klimaaktivister har overvejet grøn hydrogen, produceret uden fossile brændstoffer, som et alternativ. Problemet er dog, at produktionen af grøn hydrogen indtil nu har været for dyr til at muliggøre masseadoption i forhold til fossile brændstoffer.

Sådan Løses Udfordringen Med Produktion af Grøn Hydrogen

Indtil nu arbejder de fleste metoder til at producere hydrogen omkring en 2-trins metode:

1. Først produceres grøn energi med sol, vind, vandkraft eller enhver anden form for vedvarende energi.
2. Dernæst bruges denne grønne elektricitet til at drive katalysen af vand til hydrogen.

Problemet med dette er, at enhver flertrinsproces nødvendigvis er mindre effektiv.

For eksempel omdannes sollys til strøm af solpaneler med kun 20‑25 % udbytte; derefter transporteres strømmen til en hydrogenkatalysator, som også har et relativt lavt udbytte. I sidste ende er det samlede udbytte fra solenergi til hydrogen sandsynligvis i de lave enkeltcifrede procenter.

Og så er der omkostningsspørgsmålet. Katalysatoren bruger sandsynligvis sjældne metaller som platin eller palladium. Produktion af vedvarende energi bruger også sjældne materialer som sølv, og overførslen af strøm fra solparken til katalysatoren kræver ofte enorme investeringer.

Endelig kræver de fleste hydrogenproducerende katalysatorer et stabilt niveau af elektrisk strøm, hvilket betyder, at store batterisystemer skal tilføjes som ekstra komponenter til den nødvendige infrastruktur.

Der er mange mulige tilgange til at løse dette, som undersøges. For eksempel diskuterede vi tidligere:

• Brug af forskellige materialer til hydrogenproduktion, såsom wolfram‑kobolt eller nikkel.
• Brug af skrotmetal fra bearbejdning af platin og kobolt.
• Skabelse af en kunstig fotosynteseproces med ruthenium‑nanopartikler.

Hver af disse metoder kan i sidste ende fungere ved at skabe billigere katalysatorer, der ikke kræver en dyr mængde frisk platin for at producere hydrogen.

Men en ny tilgang er at udføre direkte fotokatalyse, dvs. omdannelsen af vand til hydrogen direkte fra sollysets energi, uden først at omdanne den til elektrisk strøm. Direkte fotokatalyse kan ikke kun fjerne behovet for flere trin, men også bruge enklere og mindre sjældne materialer til at opbygge grøn energiproduktion og infrastruktur.

Dette er den tilgang, som forskere ved Linköping University (Sverige), Kyushu University (Japan), MAX IV Laboratory (Sverige) og Dalian University of Technology (Kina) går ind for. De offentliggjorde deres seneste fremskridt i Journal of the American Chemical Society¹ under titlen “Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C‑SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting”.

Siliciumkarbid Til Fotokatalyse

Hvordan Siliciumkarbid Muliggør Direkte Fotokatalyse

Dette forskerteam har tidligere arbejdet med et materiale kaldet kubisk siliciumkarbid (3C‑SiC).

Kilde: RRL Solar

Materialet kan effektivt opsamle sollys til hydrogenproduktion gennem den fotokemiske vandspaltning.

Kilde: RRL Solar

Når sollys rammer materialet, genereres elektriske ladninger (ligesom i et polysiliciumsolpanel), som derefter bruges til at spalte vand.

En udfordring i udviklingen af materialer til denne anvendelse er at forhindre, at de positive og negative ladninger smelter sammen igen og neutraliserer hinanden.

Så for at gøre vandspaltning til hydrogen mere effektiv er det vigtigt at holde de elektriske ladninger adskilt.

Nyt Trelags Siliciumkarbid Katalysator Design

Forskerne kombinerede et lag af kubisk siliciumkarbid med to andre lag ved brug af nikkelhydroxid (Ni(OH)2) og koboltoxider (Co3O4).

Teamet havde tidligere perfektioneret produktionen af kubisk siliciumkarbid ved hjælp af sublimeringsteknikken og bekræftet krystallens kvalitet med røntgendiffraktion (XRD).

Kilde: Journal of the American Chemical Society

De bekræftede også, at grænsefladen mellem lagene øgede levetiden for de elektriske ladninger, hvilket øgede sandsynligheden for, at elektronerne blev brugt i kemiske reaktioner, der spalter vand til hydrogen og ilt.

“Det er en meget kompliceret struktur, så vores fokus i denne undersøgelse har været at forstå funktionen af hvert lag og hvordan det hjælper med at forbedre materialets egenskaber.

Det nye materiale har otte gange bedre ydeevne end ren kubisk siliciumkarbid til vandspaltning til hydrogen.”
Jianwu Sun – lektor ved Linköping University

Næste Skridt For At Forbedre Fotokatalyseeffektivitet

Indtil nu har siliciumkarbid-fotokatalyse kun kunnet opnå et energisk udbytte på 1‑3 %.

Tilstedeværelsen af et “P‑type” lag af koboltoxid under strukturer af nikkelhydroxid accelererer bevægelsen af elektroner, hvilket fremskynder produktionen af hydrogen.

Kilde: Journal of the American Chemical Society

Selvom de endnu ikke er der, anslår forskerne, at dette kan forbedres betydeligt ved brug af deres metode.

I sidste ende forventes et udbytte på >10 %, uden at kræve platin eller palladium, uden nogen omfattende infrastruktur eller krav om kontinuerlig strømforsyning, da produktionen af hydrogen sker direkte så snart solen skinner på enheden.

Investering i Siliciumkarbid Virksomheder

ON Semi

ON Semi er et halvlederfirma, der specialiserer sig i elektrificering, herunder inden for bilindustrien, men også i andre sektorer som solenergi, batterier, rumfart, telekommunikation, datacentre og medicinsk.

Som sådan er det en nøglepartner for mange af verdens største industrivirksomheder.

Kilde: ON Semi

En stor del af ON Semis teknologiske fordel er baseret på siliciumkarbid, en type silicium‑kulstofforbindelse, der bruges til højenergi‑elektriske systemer. De muliggør især meget høje belastninger, der kræves til hurtig opladning af elbiler.

Siliciumkarbid er det kemikalie, som forskere for nylig har brugt til at udvikle semikonduktivt grafen, som diskuteret i vores artikel “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?” og som også har potentiale for hydrogenproduktion.

ON Semis strategi med at satse endnu mere på siliciumkarbid har ført til, at virksomheden har oplevet en indtægtsstigning i de seneste år, drevet af elbilrevolutionen.

Kilde: ON Semiconductor [securities_stock_price_tag symbol="ON" exchange="NASDAQ"]

Stadig mere kraftfulde og effektive batterier og elektriske systemer, der bruger siliciumkarbid, bliver stadig vigtigere i den globale forsyningskæde. Som leder i sektoren vil ON Semi sandsynligvis drage stor fordel af elektrificeringstendenserne, især elbiler og andre grønne energier.

(Du kan også læse en længere artikel om dette firma i “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification”.)

Seneste ON Semi (ON) Aktienie Nyheder og Udviklinger

Studie Refereret

^{1. Hui Zeng, et al. (2025) Manipulation af Elektronstrukturen gennem Dual‑Interface Engineering af 3C‑SiC Fotoanode for Forbedret Solbaseret Vandspaltning. Journal of the American Chemical Society Vol 147/Issue 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005}