Titaanidioksidi valokatalyyttinä vihreän vedyn tuotannossa

Abstract

Hiilidioksidipäästöjen ja energiantarpeen kasvu on johtanut vaihtoehtoisten energianlähteiden etsimiseen fossiilisten polttoaineiden tilalle. Hiilineutraalisuuteen pyritään muun muassa lisäämällä uusiutuvan energian, kuten tuulivoiman ja aurinkoenergian tuotantoa, mikä on johtanut siihen, että sähköntuotanto on riippuvaista sääolosuhteista. Vetytaloudella on keskeinen rooli hiilineutraalisuuden saavuttamisessa, sillä se mahdollistaa puhtailla tai vähähiilisillä energianlähteillä tuotetun vedyn hyödyntämisen polttoaineena, energian kantajana ja varastointivälineenä. Sen avulla voitaisiin vähentää merkittävästi liikenteen ja teollisuuden prosessien hiilidioksidipäästöjä. Tässä työssä käsitellään veden hajottamiseen perustuvia vihreän vedyn tuotantoteknologioita sekä valokatalyysissä käytettävän titaanidioksidin ominaisuuksia puolijohdepartikkelina. Työ toteutettiin kirjallisuuskatsauksena.

Vihreää vetyä voidaan tuottaa päästöttömästi veden hajottamiseen perustuvilla teknologioilla, joita ovat elektrolyysi ja fotolyysi. Teknologioita pidetään potentiaalisina energiantuotantotapoina, sillä niissä syntyy tuotteina vedyn lisäksi vain happea. Elektrolyysiteknologiat voidaan jakaa käytetyn elektrolyytin mukaan alkali-, polymeeri- ja kiinteäoksidielektrolyysiin, jotka perustuvat sähkövirran vaikutuksesta elektrodeilla tapahtuviin hapetus-pelkistysreaktioihin, joissa happea ja vetyä muodostuu. Auringon valoa hyödyntävät veden hajottamisteknologiat voidaan puolestaan jakaa aurinkovoimaelektrolyysiin, valosähkökemialliseen elektrolyysiin ja valokatalyysiin. Aurinkovoimaelektrolyysi perustuu aurinkokennoilla tuotetun sähkövirran hyödyntämiseen elektrolyysissä, valosähkökemiallinen elektrolyysi auringon valoa absorboivan elektrodimateriaalin hyödyntämiseen ja valokatalyysi katalyytteinä toimivien puolijohdepartikkelien hyödyntämiseen.

Valokatalyysissä veden hajottaminen tapahtuu puolijohdepartikkelien pinnalla, mikä edellyttää katalyyttimateriaalilta muun muassa stabiiliutta ja sopivaa energiarakoa. Titaanidioksidi täyttää nämä vaatimukset ja on yksi käytetyimmistä valokatalyyttimateriaaleista. Suuren energiaraon takia se pystyy kuitenkin hyödyntämään veden hajottamiseen vain ultraviolettisäteilyä, minkä takia energiarakoa pyritään pienentämään modifioimalla materiaalia. Modifiointimenetelmiin kuuluvat kokatalyyttien lisääminen, pinnan modifiointi väriaineella ja tarkoituksen mukaisten vikojen lisääminen rakenteeseen. Vikojen avulla titaanidioksidiin voidaan muodostaa uusia energiatiloja, jotka voivat estää elektronien-aukko-parien nopean rekombinaation ja kaventaa energiarakoa, mikä parantaa näkyvän valon absorptiota.