Ansökan: Funktionella fosfatglaskeramer för vätgasproduktion och miljömässig koldioxid minskning

Tidsperiod:

1 januari 2015 – 31 december 2017

Projektledare:

Peter Lazor

Projektdeltagare:

Lahcen Bih, Bouchaib Manoun

Finansiär:

Vetenskapsrådet

Bidragstyp:

Projektbidrag

Budget:

729 000 SEK

Funktionella fosfatglaskeramer för vätgasproduktion och miljömässig koldioxid minskning

Det globala energibehovet förväntas i stor sett fördubblas till 2050 och tredubblas till 2100. Detta på grund av en ökande världsbefolknings ökande levnadsstandardbehov. Att hålla atmosfärens koldioxidhalt (CO2) under åtminstone den dubbla förindustriella nivån och samtidigt möta de ökande energibehoven från ytterligare sex miljarder energianvändare kommer att kräva uppfinningsrikedom, utveckling och användning av kolneutral energi i en skala likvärdig med, eller större än, dagens energitillgångar från alla källor sammantagna.

Vätgas, bränslet med högsta energikapaciteten per massenhet, har potential att tillhandahålla och möjligen ersätta fossila bränslen under de närmaste decennierna. För att uppnå det målet är storskalig och kostnadseffektiv framställning av vätgas med hjälp av kolfria resurser högst önskvärd. Olika metoder för att framställa vätgas har rapporterats i litteraturen. Vätgasbildning från biomassa och vattensönderdelning är för närvarande två huvudfåror i forskningen. Utgående från mekanismerna bakom fotosyntesen, har vätgasbildning från vattensönderdelning (konstgjord fotosyntes) rönt stor uppmärksamhet.

Halvledande fotokatalysatorer i form av tunna lager har utvecklats för fotoelektrokemisk (FEK) vätgasproduktion. Under de senaste decennierna har många oxid-fotoelektroder, typ TiO2, WO3 och SrTiO3 studerats i detta syfte. Verkningsgraden hos FEK typer har begränsats av flera nyckelfaktorer, typ begränsad ljusabsorptions effektivitet i det önskade synliga våglängdsområdet, samt återkombinering av fotoexiterade elektroner och hål. Utvecklingen av nanomaterial har emellertid erbjudit potentiella fördelar jämfört med bulkmaterial vad gäller fotoelektroder av PEC.

Nyligen har vetenskapsmän visat på den unika kapaciteten hos amorf kobolt-fosfat katalys för att oxidera vatten till O2 och underlätta möjligheten att använda vatten-sönderdelning som en solenergi- lagringsmekanism för att möjliggöra sol-till-bränsle omvandling i neutralt vatten under normala förhållanden. Detta resultat gör användning av glas och speciellt undersökning av fosfatglas och relaterade material intressantare än tidigare.

Nyligen har utfällda transparenta anatas-keramer tillverkats av CaO-B2O3-Al2O3-TiO2 glas. Denna infallsvinkel är ny och lovande vad gäller solenergilagring i framtiden. Glas-keram materialen har visat spännande resultat vad gäller att splittra vatten med hjälp av solenergi. Dessa glas är dock behäftade med det allvarliga problemet att de innehåller en stor mängd giftig Bi2O3, samtidigt som de kräver hög tillverkningstemperatur.

I det här projektet tänker vi utveckla miljövänliga glas-keramiska fosfatmaterial för att splittra vatten med hjälp av solenergi. Förbättringar av fotokatalytiska egenskaper kommer att uppnås genom selektiv kristallisation av nanokristalliter av TiO2, WO3, Fe2O3 och MoO3 oxider. Reaktantglasen kommer att tillverkas med olika metoder. De tillverkade glas-keramerna kommer att kunna tillverkas i den teknologiskt viktiga formen av högkvalitetsfilm.

Medan det svenska teamet är specialiserade på karakterisering och design av mineral-baserade produkter, har det marockanska teamet unik kunskap i tillverkning av fosfatglas och relaterade kristallina faser. Kombination och utbyte av "know-how" mellan de båda teamen förväntas resultera i synergieffekter, förbättra formulering och utveckling av en ny typ av glas-keramer i solenergi-lagrings-system. Formulering av nya fosfatglas-keramer är av stort intresse både inom industrin och för forskarsamhället eftersom fosfatmaterial är användarvänliga och goda absorbatorer av ljus och/eller värme. Dessutom används billiga råvaror vid tillverkningen, typ apatitmineral, t.ex. billiga naturliga marockanska fosfater samt billiga syntetiska material.