Nästa generations energimaterial för vätebaserade energisystem Next Generation Energy Materials for the Hydrogen Economy Nästa generations energimaterial för vätebaserade energisystem Varför solenergi? På en timme träffar cirka 4.3*1020 J solljus jorden. Det är mer än all energi som för närvarande produceras på jorden under ett år. Dagens energikällor är till stora delar baserade på fossila bränslen. Förutom att fossila bränslen anses stå för klimatförändringar så är det också en begränsad resurs. Vår energihungriga värld blir allt mer beroende av nya metoder att utvinna, lagra och omvandla energi på ett miljövänligt sätt. I dagens mobila samhälle använder vi portabel elektronisk utrustning och transport av människor och varor ökar ständigt. Därför är det viktigt att utveckla säkra, ekonomiska och miljövänliga energikällor. Att lagra energi i form av väte skulle vare ett idealiskt syntetiskt bränsle. Väte är det tredje vanligaste ämnet på jorden och är det kemiska bränsle som har högst energiinnehåll per massenhet. Förbränning av väte är miljövänligt eftersom den enda biprodukt som bildas är vatten. Förverkligandet av vätebaserade bränslesystem för fordon är beroende av genombrott i forskningen kring material och system inom tre områden: Produktion Lagring Förbrukning Exempel på materialegenskaper som behöver förbättras inom de olika områdena är effektivitetsgrad, lagringskapacitet, arbetstemperatur och kostnadseffektivitet. Utöver detta är det också viktigt att de tre bitarna är kompatibla, gällande till exempel arbetstemperatur och tolerans för orenheter. Därför är det viktigt att titta på helheten när man skräddarsyr näst generations energimaterial. Produktion. 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. Lagring. Att lagra väte i form av gas kräver väldigt högt tryck och medför tunga behållare och stora säkerhetsrisker. Om vätet kyls ner till låga temperaturer kan det lagras i vätskeform, men detta medför stora kostnader och kräver tung utrustning. Ett tredje alternativ är att lagra vätet inuti fasta material. I dagens läge finns såkallade metallhydrider som kan lagra stora mängder väte per volymenhet. Säkerhetsaspekten hos dessa material är också mycket bra. I de material där vätet reversibelt kan lagras är dock är väteinnehållet per viktenhet ännu för lågt. För att kunna höja väteinnehållet per viktenhet måste vikten hos metallerna som vätet binds i sänkas. Därför är grundämnen som Li, B, N, C, Na och Mg intressanta som material att lagra väte i. Tyvärr binder dessa material vätet med starka bindningar vilket gör att temperaturerna som behövs för att frigöra vätet är för höga. Vätelagringsegenskaperna kan förändras med hjälp av katalysatorer och blandning av olika material för att få fram nya egenskaper. Även strukturen, till exempel fasta material med liten yta eller små partiklar med stor yta, kan förändra egenskaperna hos ett material. I högytematerial, som till exempel MOF (metal-organic frameworks), är inte problemet som hos metallhydriderna att vätet binds för starkt utan istället binds vätet för svagt. Detta gör att det krävs låga temperaturer för att materialet skall kunna behålla vätet. I det här fallet behöver det istället utvecklas sätt för att stärka bindningarna mellan vätet och lagringsmaterialet, för att höja temperaturen vid vilken vätet kan lagras. We aim to improve two aspects of the hydrogen economy: production and storage by investigating new approaches to harvest sunlight for the splitting of water and generation of H2 and various pathways to optimize the storage of hydrogen. Established first-principles methods will be used, in particular density functional theory for the investigation of structural and energetic aspects, molecular dynamics simulations to study kinetics and temperature effects, and quantum chemistry methods to achieve even higher accuracies. We have studied a broad variety of materials for H-storage applications, investigating effect of catalysts, desorption mechanisms, possible improvements for hydrogen binding, etc. This enabled us to contribute to a better understanding of H-storage systems and make suggestions on how certain materials could be further improved. However, H-storage is only one aspect of the hydrogen economy, and we plan to expand our research to the fields of hydrogen production. The hydrogen economy possesses many attractive features: hydrogen is abundant and accessible if sunlight is used efficiently for the splitting of water into hydrogen and oxygen.