Solar Fuel Production & Storage for Green Energy Applications Produktion och förvaring av solbränsle för grön energi tillämpningar 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. Förbrukning : På anoden i en bränslecell delas vätemolekylen upp i protoner och elektroner med hjälp av Pt nanopartiklar, som fungerar som katalysatorer. Protonerna diffunderar genom den fasta elektrolyten samtidigt som elektronerna leds genom en extern krets vilk 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 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 photocatalytic water splitting as well as various pathways to optimize the storage of hydrogen 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, implemented in present research program, a new methodology for modeling complex multi-electron transfer photocatalytic water redox reactions will be developed. Fundamental understanding of the underlying mechanisms of these reactions will be advanced, culminating on the design of a new integrated system for large-scale water cleavage using abundant and environmentally friendly elements. 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 and for the related Swedish & Argentina infrastructure and economy in particular.