För att göra det möjligt att fasa ut fossila bränslen söker forskare världen över febrilt efter nya sätt att framställa miljövänliga bränslen, som grön vätgas och etanol, till exempel genom att omvandla solenergi till bränsle.
Den metod för att tillverka solbränsle som idag kommit längst i utvecklingen utnyttjar elektrolys för att framställa vätgas med hjälp av solenergi. En nackdel med denna metod är att energin först måste omvandlas till elektricitet i solceller.
En annan lovande metod låter forskarna efterlikna fotosyntesen hos gröna växter genom att utnyttja katalysatorer för att omvandla solenergi direkt till bränsle. Nu har forskare vid Lunds universitet gjort en upptäckt som skulle kunna vara revolutionerande för utvecklingen av denna metod, vilket skulle kunna leda till billigare och mer hållbara solbränslen.
Text: Alarik Haglund
En stor del av utmaningen inom energisektorn är att det behövs förnybara bränslen och Petter Persson, forskare på Kemicentrum vid Lunds universitet, menar att det är här solbränsle kommer in.
- Det går att framställa solbränsle med solceller och elektrolys, men då har man två steg som båda medför förlustprocesser. Det vi jobbar med är att hitta så kallade fotokatalytiska system som direkt omvandlar solenergi till bränsle, förklarar Petter Persson.
Han talar om att det finns system av det här slaget sedan tidigare, men att de kräver sällsynta och dyra, eller till och med giftiga, metaller som rutenium, iridium och platina.
- För att det ska vara förnybart och hållbart hela vägen måste man kunna använda förnybara och hållbara material, påpekar Petter Persson.
Järnbaserade färgämnen
Vid Lunds universitet har forskarna under lång tid tittat på system där man bytt ut sällsynta metaller mot hållbara material och Petter Persson berättar till exempel att de under flera år forskat på järnbaserade färgämnen, som fångar upp solljuset och sedan driver den katalytiska omvandlingsprocessen.
- Vare sig man omvandlar protoner till vätgas eller koldioxid till etanol handlar det om en reduktionsprocess, säger Petter Persson.
Han förklarar att reduktionen drivs med hjälp av elektroner som frigörs tack vare den laddningsseparation som sker i färgämnet när det träffas av solljus.
- Många av de färgämnen vi testar kommer från internationella samarbetspartners, men vi kan även tillverka egna färgämnen, berättar Neus Allande Calvet, som deltagit i forskningen i två år.
Förlustmekanism avslöjad
Även om de kan se att det sker en omvandling anmärker Petter Persson att omvandlingsprocessen, med de material de jobbat med, är väldigt ineffektiv och har en verkningsgrad på fem procent eller mindre.
Tack vare att de kunnat följa de väldigt snabba processerna i fotokatalytiska system i realtid i Kemicentrums laserlaboratorium har de emellertid kunnat identifiera ett avgörande problem. De har nämligen kunnat konstatera att de elektroner som frigörs från färgämnet går tillbaka till sitt ursprungliga bundna tillstånd innan de hinner bidra till omvandlingsprocessen, vilket betyder att större delen av den uppfångade solenergin går förlorad innan den kan omvandlas till bränsle.
- Genom att bättre förstå hur denna förlustmekanism fungerar har vi kunnat ta de första stegen mot att lösa problemet, beskriver Petter Persson.
Påverkas av omgivningen
Förutom att de upptäckt en viktig förlustmekanism talar Petter Persson också om att de sett att den påverkas väldigt mycket av omgivningen. Det har givit dem en möjlighet att systematiskt variera de omgivande förhållandena för att hitta sätt att förbättra omvandlingsprocessen.
- Vi har sett att vi kan påverka hur snabbt elektronerna återgår till sitt ursprungliga tillstånd genom att variera omgivningen i systemet, meddelar Petter Persson.
Det betyder att de kan förändra saker som vilket lösningsmedel som används eller vilka motjoner som finns för att se till att fler av de elektroner som frigörs i samband med att solljuset träffar färgämnet finns tillgängliga för att fullfölja omvandlingsprocessen. Resultatet blir kraftigt minskade energiförluster och en mer effektiv omvandlingsprocess baserad på vanligt förekommande metaller som järn.
Öppnar upp en större palett
Även om resultaten av forskningen vid Lunds universitet är ett viktigt steg mot fungerande solbränsleproduktion med hjälp av fotokatalytiska system baserade på vanliga metaller understryker Petter Persson att det är ett genombrott på grundforskningssidan och att det återstår flera steg innan omvandlingsprocesser av det här slaget kan användas för att producera solbränslen i kommersiell skala.
- Det vi gör handlar om att få upp effektiviteten i de här processerna, säger Petter Persson och tillägger att de även öppnat upp en större palett av material att arbeta med, vilket gör att de har fler möjligheter att optimera systemen.
Samtidigt påminner han om att de egentligen bara tittat på halva processen och att man även måste hitta rätt kombination av färgämne och katalysator för att få upp verkningsgraden i hela omvandlingsprocessen.
Löser ett kostnadsproblem
Petter Persson poängterar också att väldigt mycket hänger på om man kan göra omvandlingsprocessen ekonomiskt gångbar.
- Om vår forskning bidrar till att processerna blir mer effektiva så löser man ett av kostnadsproblemen, men man ska inte sticka under stol med att vägen till kommersialisering är lång, påpekar Petter Persson.
Han kommenterar att nästa steg, efter de försök i laboratorieskala som görs av både forskarna vid Lunds universitet och många andra forskare runt om i världen, är att göra omvandlingen av solenergi till bränsle i prototypskala. Därefter följer en rad andra uppskalningssteg, som alla har sina industriella utmaningar.
- Vi har överkommit ett principiellt hinder och visat att vi kan få omvandlingsprocessen att fungera med miljövänliga färgämnen baserade på vanliga metaller, avslutar Petter Persson, som hoppas att det är något som alla inom det här forskningsområdet kan dra nytta av.
