Kan solljus utnyttjas för att effektivt och miljövänligt ersätta fossila bränslen? Forskare vid Tohoku-universitetet i Japan och Vetenskapsuniversitetet i Vietnam, Ho Chi Minh-staden (VNU-HCM), har tagit ett steg närmare ett svar. Deras senaste studie pekar ut tvådimensionella Janus-heterobilager som lovande kandidater för omvandling av solenergi till grön vätgas.
I undersökningen utmärkte sig en särskild kombination – ett WS₂–SMoSe-heterobilager – med en sol-till-vätgas-verkningsgrad på 16,62 procent. Det är en nivå som överträffar många existerande material, vilka oftast ligger under 15 procent i effektivitet.
Effektivare vätgas genom solinducerad katalys
Grön vätgas kan produceras genom fotokatalytisk vattenklyvning – en process där vattenmolekyler delas upp i väte och syre med hjälp av solljus. Denna typ av vätebränsle är ren, kan driva fordon och hushåll och minskar utsläppen av växthusgaser.
Men tekniken har länge hämmats av ineffektiva material och snabb rekombination av elektroner och hål, vilket begränsar energikonverteringen. Det är just dessa utmaningar som forskarlaget nu har försökt lösa genom att kombinera Janus-strukturer med så kallade övergångsmetall-dikalkogenider (TMDC).
– Att kombinera TMDC-material med Janus-skikt är som att bygga med LEGO – det finns nästan oändliga konfigurationsmöjligheter. Vår metod gör det möjligt att snabbt och exakt identifiera de mest lovande materialkombinationerna för vattenklyvning, vilket snabbar upp upptäcktsprocessen avsevärt, säger försteförfattaren Nguyen Tran Gia Bao vid VNU-HCM.
Starka inre fält ger nya möjligheter
Forskargruppen, ledd av Nguyen Tuan Hung, biträdande professor vid Frontier Research Institute for Interdisciplinary Science (FRIS) vid Tohoku-universitetet, och Vu Thi Hanh Thu, docent vid VNU-HCM, har systematiskt analyserat 20 olika materialpar. De bekräftar att Janus-heterobilager utgör ett särskilt lovande område för framtidens vätgasproduktion.
Det som skiljer Janus-material från traditionella tvådimensionella strukturer är deras asymmetriska uppbyggnad – de har olika kalkogenidelement på var sida om skiktet. Denna inbyggda asymmetri skapar starka elektriska fält inuti materialet. De i sin tur förbättrar separationen av elektriska laddningar som alstras av solljus och ökar därmed den fotokatalytiska prestandan.
– Genom att förstå hur atomerna i dessa material är ordnade kan vi ge tydlig vägledning för att välja rätt material till solenergidriven katalys, förklarar Nguyen Tuan Hung.
Han menar att forskningen ger ett nytt perspektiv på hållbar vätgasproduktion, som inte bara kan bidra till klimatmålen utan även stärka energisäkerheten.
– Vårt mål är att fortsätta undersöka nya kombinationer av material för att hitta de mest hållbara lösningarna, tillägger han.
Möjlig väg till mer hållbara bränslen
Upptäckten visar potentialen i materialforskning för att lösa praktiska energiproblem. Genom att utnyttja naturligt förekommande solenergi och samtidigt utveckla mer effektiva katalysmaterial, öppnas nya möjligheter för vätgas som ett bärkraftigt alternativ till fossila bränslen. Forskarnas metodik – som kombinerar teoretisk modellering med systematisk materialscreening – ses som ett viktigt verktyg för att påskynda innovation inom området.
Kombinationen av grundforskning, materialteknik och energitillämpningar skapar en ny väg mot mer klimatsmarta lösningar. Om resultaten kan verifieras i praktiska tillämpningar, kan Janus-baserade heterobilager bli centrala komponenter i framtidens vätgasteknik.
Källa: Tohoku University
Observera: Innehållet kan vara redigerat för stil och längd.
