Atomistic Modeling of Advanced Materials for CO2 Reduction: A Promising Approach for Conversion and Storage of Solar Energy Atomistisk modellering av avancerade material för CO2-minskning: En lovande metod för konvertering och lagring av solenergi En växande befolkning och en samtida förbättring av människors livsvillkor resulterar i ett stigande globalt energibehov. De negativa effekterna på miljön i form av luftföroreningar och global uppvärmning blir allt mer uppenbara. På grund av detta är det av yttersta vikt att nu agera och koncentrera sig på att aktivt söka alternativ till vår nuvarande energiförsörjning som är beroende av fossila bränslen. Väte är bundet och homogent fördelat över jordytan och kan avge energi genom kemiska reaktioner med syre, med endast vatten som biprodukt, i till exempel förbränningsmotorer och bränsleceller. Tack vare dessa egenskaper, så betraktas väte som ett idealt syntetiskt bränsle för en ny återvinningsbar, säker, och miljövänlig global infrastruktur för energi, som kan säkra en hållbar framtida utveckling. Tyvärr, finns inte väte i naturen som ren gas, utan existerar i kombination med andra grundämnen, såsom i vatten och organiska molekyler. Därför, förlitar sig en omfattande användning av väte som bränsle (detta kallas vanligen ?väteekonomi?) på utvecklingen av effektiv väteproduktion. Medan vårt fokus inte ligger på behoven av vätgaslagring och användningen av väte i bränsleceller, skulle vi ändå vilja nämna att omfattande framsteg krävs även inom dessa områden. Traditionellt produceras vätgas från naturgas genom reaktionen CH4(g) + H2O(g) ==> CO(g) + 3H2(g). (1) Den här reaktionen kräver mycket energi för att bryta de kemiska bindningarna och därför utförs den vid höga temperaturer (kring 800 °C) samt i närvaron av katalysatorer, vanligtvis Ni/Al2O3, som påskyndar bildandet av reaktionsprodukterna. Den syntetiska vätgasen som produceras på detta sätt måste separeras från CO gas som också produceras. Detta görs vanligen genom en kemisk rekation som kallas ?vatten-gas-växlingsreaktion?. Kolmonoxiden får då reagera med vatten för att producera mer väte och koldioxid, vilka på ett enklare sätt kan avlägsnas från blandningen. Reaktionen är som följer CO(g) + H2O(g) ==> CO2(g) + H2(g). (2) Problemet är att vätgasen som produceras på detta sätt innehåller någon andel kolmonoxid, vilket gör den olämplig för att användas i bränsleceller. Omvandlingen av etanol och biomassa anses också vara ett alternativ till vätgasproduktion eftersom de extraheras från återvinningsbara och miljövänliga källor. Men omvandlingen av etanol konsumerar mycket energi i form av värme samt kolmonoxid, så att reningsmetoder krävs även här. En ny och attraktiv metod för att producera vätgas är delningen av vatten i en process som kallas fotolys. I den här metoden används väldigt nanometerstora halvledarpartiklar som förs in i en vattenlösning och belyses sedan med ljus. Ljuset inducerar en laddningsöverföring från partiklarna till vattenmolekylerna, vilket leder till delning av vattenmolekylerna. Det finns många system tillgängliga i litteraturen, men de flesta av dem opererar i UV-regionen. Huvudmålet här är att finna ett system som absorberar hela skalan av synligt ljus så att man på ett mycket effektivt sätt att omvandla solenergi till kemisk energi. Varför solenergi? Bland den mängd olika återvinningsbara energikällor så är solen den absolut största. På en timme träffar cirka 4.3*10^20 J solljus jorden. Det är mer än all energi som för närvarande produceras på jorden på ett år. Just därför skulle solen vara en ypperlig energikälla för att producera vår energibärande vätgas som skulle fungera som ett syntetiskt bränsle. The Sun provides to the Earth in one hour an amount of energy that exceeds our energy consumption in one year. However, available technologies do not allow us to harvest even 0.02 % of such energy in a cost-efficient way. This would be more than sufficient to meet our energy demands. To change this scenario, novel breakthrough technologies for converting, storing and using solar energy must be developed. The conversion of solar energy into chemical fuels through photocatalytic water splitting and electrochemical CO2 reduction, appears as a promising alternative, but still a strong research agenda is needed for achieving the desirable goals. It is the aim of the present proposal to contribute in this field. Through a sophisticated combination of complementary computational materials science methods, a new methodology for modeling complex multi-electron transfer redox reactions will be developed. The fundamental understanding of the underlying mechanisms of the these reactions will be advanced, culminating on the design of a new integrated system for large-scale solar fuel production using abundant and environmentally friendly elements. The dissemination of the resulting theoretical insights from this systematic study will be highly beneficial for the guidance of experimental efforts in the field of solar energy harvesting in general and for the related Swedish infrastructure and economy in particular.