Piikarbidi voi tehostaa vedyn fotokatalyyttistä tuotantoa

Miksi vety on olennaista hiilineutraaliuden saavuttamisessa

Kun energiajärjestelmiä pyritään irrottamaan hiilestä, käy selväksi, ettei vihreä sähkö yksin riitä kaikkiin prosesseihin. Tämä koskee etenkin raskasta liikennettä, kuten linja-autoja ja kuorma-autoja, varmasti myös meri- ja lentoliikennettä sekä raskasta teollisuutta, kuten teräksen ja kemikaalien tuotantoa.

Syynä on se, että osa sovelluksista vaatii erittäin kuumaa palamista metallurgiassa, energiapitoisia vetyatomeja ilman metaania kemianteollisuudessa tai hyvin energiatiheää polttoainetta meriliikenteessä. Sähkö ja akut eivät sovellu näihin tarpeisiin.

”Henkilöautoissa voidaan käyttää akkua, mutta raskaat kuorma-autot, laivat ja lentokoneet eivät voi varastoida tarvitsemaansa energiaa akkuihin. Näille liikennemuodoille on löydettävä puhtaita ja uusiutuvia energialähteitä, ja vety on hyvä vaihtoehto.”

Jianwu Sun – apulaisprofessori Linköpingin yliopistossa

Siksi tutkijat ja ilmastoaktivistit ovat pitäneet ilman fossiilisia polttoaineita tuotettua vihreää vetyä vaihtoehtona. Sen tuotanto on kuitenkin toistaiseksi ollut liian kallista, jotta se voisi kilpailla fossiilisten polttoaineiden kanssa suuressa mittakaavassa.

Miten ratkaista vihreän vedyn tuotannon haaste

Useimmat vedyn tuotantomenetelmät perustuvat tällä hetkellä kaksivaiheiseen prosessiin:

1. Ensinnäkin tuotetaan vihreä energia auringosta, tuulesta, vesivoimasta tai muusta uusiutuvasta energialähteestä.
2. Toiseksi käytetään tätä vihreää sähköä veden katalysointiin vedeksi.

Monivaiheinen prosessi on väistämättä tehottomampi.

Aurinkopaneelit muuttavat esimerkiksi auringonvaloa sähköksi vain 20–25 prosentin hyötysuhteella. Sähkö siirretään tämän jälkeen vetyelektrolyyserille, jonka hyötysuhde on sekin rajallinen. Kokonaishyötysuhde aurinkoenergiasta vedyksi jää siten todennäköisesti vain muutamaan prosenttiin.

Lisäksi kustannukset ovat korkeat. Elektrolyyseri kuluttaa usein harvinaisia metalleja, kuten platinaa tai palladiumia. Uusiutuvan energian tuotannossa käytetään myös harvinaisia materiaaleja, kuten hopeaa, ja sähkön siirtäminen aurinkopuistosta elektrolyyserille vaatii usein suuria investointeja.

Useimmat vetyä tuottavat elektrolyyserit tarvitsevat lisäksi tasaisen sähkösyötön, joten infrastruktuuriin on lisättävä suuria akkujärjestelmiä.

Ongelmaan tutkitaan useita ratkaisuja. Olemme aiemmin käsitelleet esimerkiksi seuraavia menetelmiä:

• Vedyn tuottaminen eri materiaaleilla, kuten tungsten-koboltti tai nikkeli.
• Platinan ja koboltin koneistusjätteen käyttö.
• Keinotekoisen fotosynteesin kehittäminen rutenium-nanohiukkasten avulla.

Jokainen näistä menetelmistä voi lopulta mahdollistaa edullisemmat katalyytit, jotka eivät vaadi suuria määriä kallista uutta platinaa vedyn tuotantoon.

Uusi lähestymistapa on suora fotokatalyysi, jossa vesi muutetaan vedyksi suoraan auringonvalon energialla ilman välivaihetta sähköksi. Suora fotokatalyysi voi poistaa useiden vaiheiden tarpeen ja mahdollistaa vihreän energiantuotannon yksinkertaisemmilla ja yleisemmillä materiaaleilla.

Tätä lähestymistapaa tutkivat Linköpingin yliopisto ja MAX IV -laboratorio Ruotsissa, Kyushun yliopisto Japanissa sekä Dalianin teknillinen yliopisto Kiinassa. He julkaisivat uusimmat tuloksensa Journal of the American Chemical Society -lehdessä¹ otsikolla ”Elektronirakenteen muokkaaminen 3C-SiC-fotoanodin kaksoisrajapintasuunnittelulla aurinkokäyttöisen veden hajotuksen tehostamiseksi”.

Piisirua fotokatalyysissä

Miten piikarbidi mahdollistaa suoran fotokatalyysin

Tutkimusryhmä on aiemmin työskennellyt kuutiollisen piikarbidin eli 3C-SiC:n parissa.

Lähde: RRL Solar

Materiaali pystyy hyödyntämään auringonvaloa tehokkaasti vedyn tuottamiseen fotokemiallisen vedenhajotusreaktion avulla.

Lähde: RRL Solar

Kun auringonvalo osuu materiaaliin, syntyy sähkövarauksia samalla tavoin kuin monikiteisessä piiaurinkopaneelissa. Näitä varauksia käytetään veden hajottamiseen.

Materiaalikehityksen haasteena on estää positiivisia ja negatiivisia varauksia yhdistymästä uudelleen ja kumoamasta toisiaan.

Sähkövarausten pitäminen erillään on siksi olennaista, jotta veden hajottaminen vedyksi olisi tehokkaampaa.

Uusi kolmikerroksinen piikarbidikatalyytti

Tutkijat yhdistivät kuutiollisen piikarbidikerroksen kahteen muuhun kerrokseen, jotka koostuivat nikkelihydroksidista (Ni(OH)2) ja kobolttioksidista (Co3O4).

Ryhmä oli aiemmin kehittänyt kuutiollisen piikarbidin valmistusta sublimaatiomenetelmällä ja varmistanut kiteen laadun röntgendiffraktiolla (XRD).

Lähde: Journal of the American Chemical Society

Tutkijat vahvistivat myös, että kerrosten välinen rajapinta pidensi sähkövarausten elinikää. Näin elektronit ehtivät todennäköisemmin osallistua kemiallisiin reaktioihin, joissa vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi.

”Rakenne on hyvin monimutkainen, joten tutkimuksessa keskityimme ymmärtämään kunkin kerroksen toimintaa ja sitä, miten se parantaa materiaalin ominaisuuksia.

Uuden materiaalin suorituskyky veden hajottamisessa vedyksi on kahdeksan kertaa parempi kuin puhtaalla kuutiollisella piikarbidilla.”

Jianwu Sun – apulaisprofessori Linköpingin yliopistossa

Seuraavat askeleet fotokatalyysin tehokkuuden lisäämiseksi

Piikarbidifotokatalyysillä on tähän mennessä saavutettu vain 1–3 prosentin energiahyötysuhde.

Nikkelihydroksidirakenteiden alla oleva P-tyypin kobolttioksidikerros nopeuttaa elektronien liikkumista ja siten vedyn tuotantoa.

Lähde: Journal of the American Chemical Society

Tavoitetta ei ole vielä saavutettu, mutta tutkijat arvioivat menetelmänsä parantavan hyötysuhdetta huomattavasti.

Lopulta hyötysuhteen odotetaan ylittävän 10 prosenttia ilman platinaa, palladiumia, monimutkaista infrastruktuuria tai jatkuvaa sähkönsyöttöä. Vetyä syntyy suoraan aina, kun aurinko paistaa laitteeseen.

Sijoittaminen piisirua-yrityksiin

ON Semi

ON Semi on sähköistymiseen erikoistunut puolijohdeyritys, jonka ratkaisuja käytetään autoteollisuuden lisäksi aurinkoenergiassa, akuissa, ilmailu- ja avaruusalalla, tietoliikenteessä, datakeskuksissa ja lääketieteessä.

Siksi se on keskeinen kumppani monille maailman suurimmista teollisuusyrityksistä.

Lähde: ON Semi

Suuri osa ON Semin teknologisesta kilpailuedusta perustuu piikarbidiin, joka on suuritehoisissa sähköjärjestelmissä käytettävä piin ja hiilen yhdiste. Se kestää erityisesti sähköautojen pikalatauksessa tarvittavia erittäin suuria tehoja.

Tutkijat ovat hiljattain käyttäneet piikarbidia puolijohteisen grafeenin kehittämiseen, kuten käsittelimme artikkelissamme ”Grafeenipuolijohteet – ovatko ne viimein täällä?”. Kuten tässä artikkelissa osoitetaan, piikarbidilla on potentiaalia myös vedyn tuotannossa.

ON Semin vahva panostus piikarbidiin on kasvattanut yhtiön liikevaihtoa viime vuosina sähköautomurroksen vauhdittamana.

Lähde: ON Semiconductor

Yhä tehokkaammat piikarbidia hyödyntävät akut ja sähköjärjestelmät ovat entistä tärkeämpiä maailmanlaajuisissa toimitusketjuissa. Alan johtavana toimijana ON Semi hyötyy todennäköisesti merkittävästi sähköistymisestä, etenkin sähköautojen ja muun puhtaan energian kasvusta.

(Voit lukea yhtiöstä laajemmin artikkelistamme ”On Semiconductor (ON): Piikarbidi sähköistymisen vauhdittajana”.)

Uusimmat ON Semi (ON) -osakkeen uutiset ja kehitys

Viitattu tutkimus

^{1. Hui Zeng, et al. (2025) Elektronirakenteen muokkaaminen 3C-SiC-fotoanodin kaksoisrajapintasuunnittelulla aurinkokäyttöisen veden hajotuksen tehostamiseksi. Journal of the American Chemical Society Vol 147/Issue 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005}