Hållbarhet
Kiselkarbid förbättras som kandidat för vätgasfotokatalys
Lägg till Securities.io bland dina föredragna källor på Google
Varför väte är avgörande för avkarbonisering
När jakten på att avkarbonisera våra energisystem fortsätter blir det tydligt att vissa processer kan behöva mer än bara grön el. Detta kan vara sant för transport, särskilt tunga uppgifter som bussar och lastbilar, utan tvekan för sjöfart och flyg, och lika nödvändigt för tunga industrier som stålframställning och kemikalieproduktion.
Anledningen är att vissa tillämpningar kräver antingen mycket het förbränning (metallurgi), leverans av energirika väteatomer utan att använda metan (kemisk industri) eller ett mycket energität bränsle (sjöfart), för vilka elektrisk kraft och batterier helt enkelt inte räcker till.
“Personbilar kan ha ett batteri, men tunga lastbilar, fartyg eller flygplan kan inte använda ett batteri för att lagra energin. För dessa transportmedel måste vi hitta rena och förnybara energikällor, och väte är en bra kandidat.”
Det är därför forskare och klimataktivister har övervägt grön vätgas, producerad utan fossila bränslen, som ett alternativ. Problemet är dock att produktionen av grön vätgas hittills har varit för dyr för att möjliggöra massadoption jämfört med fossila bränslen.
Hur man löser utmaningen med grön vätgasproduktion
Hittills arbetar de flesta metoder för att producera väte kring en tvåstegsmetod:
- Först producera grön energi med sol, vind, vattenkraft eller någon annan förnybar energiform.
- Därefter använda denna gröna el för att driva katalysen av vatten till väte.
Problemet med detta är att varje flerstegsprocess nödvändigtvis är mindre effektiv.
Till exempel omvandlas solljus till el av solpaneler med endast 20‑25 % verkningsgrad; sedan transporteras elen till en vätgaskatalysator, som i sig har en relativt låg verkningsgrad. I slutändan blir den totala verkningsgraden från solenergi till väte troligen i låga ensiffriga procent.
Och så finns kostnadsfrågan. Katalysatorn förbrukar sannolikt sällsynta metaller som platina eller palladium. Produktion av förnybar energi använder också sällsynta material som silver, och överföringen av el från solkraftverket till katalysatorn kräver ofta enorma investeringar.
Slutligen kräver de flesta vätgaskatalysatorer en stabil nivå av elektrisk kraft, vilket innebär att stora batterisystem måste läggas till som ytterligare komponenter i den nödvändiga infrastrukturen.
Det finns många möjliga tillvägagångssätt som utforskas. Till exempel diskuterade vi tidigare:
- Att använda olika material för vätgasproduktion, som tungsten‑kobolt eller nickel.
- Att använda skrotmetall från bearbetning av platina och kobolt.
- Att skapa en artificiell fotosyntesprocess med ruthenium‑nanopartiklar.
Var och en av dessa metoder kan i slutändan fungera för att skapa billigare katalysatorer som inte kräver stora mängder färsk platina för att producera väte.
Men ett nytt tillvägagångssätt är att göra direkt fotokatalys, alltså omvandla vatten till väte direkt från solens energi, utan att först omvandla den till elektrisk kraft. Direkt fotokatalys kan inte bara eliminera behovet av flera steg, utan också använda enklare och mindre sällsynta material för att bygga grön energiproduktion och infrastruktur.
Detta är det tillvägagångssätt som förespråkas av forskare vid Linköpings universitet (Sverige), Kyushu University (Japan), MAX IV Laboratory (Sverige) och Dalian University of Technology (Kina). De publicerade sin senaste utveckling i Journal of the American Chemical Society1 under titeln “Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C‑SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting”.
Kiselkarbid för fotokatalys
Hur kiselkarbid möjliggör direkt fotokatalys
Detta forskarteam har tidigare arbetat med ett material som heter kubisk kiselkarbid (3C‑SiC).
Källa: RRL Solar
Materialet kan effektivt fånga solljus för vätgasproduktion genom den fotokemiska vatten‑splittningsreaktionen.
Källa: RRL Solar
När solljus träffar materialet genereras elektriska laddningar (likt i en polysiliciumsolpanel), vilka sedan används för att splitta vatten.
En utmaning i utvecklingen av material för denna tillämpning är att förhindra att de positiva och negativa laddningarna återförenas och neutraliserar varandra.
Så, för att göra vattensplittringen till väte mer effektiv är det viktigt att hålla de elektriska laddningarna separerade.
Ny trelagers kiselkarbidkatalysatordesign
Forskarna kombinerade ett lager av kubisk kiselkarbid med två andra lager, med nickelhydroxid (Ni(OH)2) och koboltoxid (Co3O4).
Teamet hade tidigare perfektionerat produktionen av kubisk kiselkarbid med sublimationsteknik, och bekräftade kristallkvaliteten med röntgendiffraktion (XRD).
De bekräftade också att gränssnittet mellan lagren ökade livslängden för de elektriska laddningarna, vilket ökade sannolikheten att elektronerna används i de kemiska reaktionerna som splittar vatten till väte och syre.
“Det är en mycket komplicerad struktur, så vårt fokus i denna studie har varit att förstå funktionen hos varje lager och hur det bidrar till att förbättra materialets egenskaper.
Det nya materialet har åtta gånger bättre prestanda än ren kubisk kiselkarbid för att splitta vatten till väte.”
Nästa steg för att öka fotokatalysens effektivitet
Hittills har kiselkarbidfotokatalys bara kunnat nå en energisk avkastning på 1‑3 %.
Närvaron av ett ”P‑Type” lager av koboltoxid under strukturer av nickelhydroxid påskyndar elektronernas rörelse, vilket snabbar upp vätgasproduktionen.
Även om de ännu inte har nått målet uppskattar forskarna att detta kan förbättras avsevärt med deras metod.
I slutändan förväntas en avkastning på >10 % utan att kräva någon platina eller palladium, utan någon komplicerad infrastruktur eller krav på kontinuerlig strömförsörjning, med vätgasproduktionen som sker direkt så snart solen lyser på enheten.
Investera i kiselkarbidföretag
ON Semi
ON Prisdiagram
ON Semi är ett halvledarföretag som specialiserar sig på elektrifiering, inklusive inom fordonssektorn, men även i andra sektorer som solenergi, batterier, rymdteknik, telekommunikation, datacenter och medicin.
Som sådan är de en nyckelpartner för många av världens största industriföretag.
Källa: ON Semi
En stor del av ON Semis teknologiska fördel bygger på kiselkarbid, en typ av kisel‑kol‑förening som används för högenergisystem. De möjliggör särskilt mycket hög effektbelastning som krävs för snabb laddning av elbilar.
Kiselkarbid är den kemikalie som forskare nyligen använt för att utveckla semikonduktiv grafen, som diskuteras i vår artikel “Graphene Semiconductors – Are They Finally Here?” och som även har potential för vätgasgenerering.
ON Semis strategi att satsa ännu mer på kiselkarbid har lett till att företaget upplevt en intäktsökning de senaste åren, drivet av elbilsrevolutionen.
Källa: ON Semiconductor
Allt kraftfullare och effektivare batterier och elsystem som använder kiselkarbid blir allt viktigare i den globala leveranskedjan. Som ledande inom sektorn kommer ON Semi sannolikt att dra stor nytta av elektrifieringstrenden, särskilt elbilar och annan grön energi.
(Du kan också läsa en längre artikel om detta företag i “On Semiconductor (ON): Silicon Carbide Powering Electrification”.
Senaste nyheter och utveckling för ON Semi (ON) aktie
Studie refererad
1. Hui Zeng, et al. (2025) Manipulating Electron Structure through Dual-Interface Engineering of 3C‑SiC Photoanode for Enhanced Solar Water Splitting. Journal of the American Chemical Society Vol 147/Issue 17. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c04005
