SunUP - Solar photochemical H2 production through novel routes

Lys er energi. Men for å bruke denne energien trengs materialer som kan skape mer enn bare enkel varme. Solceller er gode til å lage strøm fra store deler av solspekteret, selv om det er rom for forbedringer. Fotokatalytiske materialer kan direkte gjøre om lys til ny kjemi som å lage hydrogen fra vann eller konvertere CO2. Ulempen er at de gode katalysatorene i dag for slike fotokjemiske prosesser kun bruker en liten del av sollyset, UV-området. Dersom vi kan øke området som er aktivt vil energigevinsten bli svært stor. I SunUp prosjektet snur vi på problemet og forsøker å endre egenskapene til sollyset slik at de passer bedre til katalysatorene som brukes i dag. Vårt mål er oppkonvertering av synlig lys til aktivt UV lys som passer katalysatoren bedre. Prinsippet og tanken er ikke ny og brukes i dag i flere avanserte teknologier, men ingen har så langt klart å skape effektiv oppkonvertering av sollys. Hovedproblemet er at slike materialer absorberer lys veldig dårlig. Vår tilnærming er å designe strukturer av materialer hvor noen deler konverterer lys effektivt mens andre er gode på å absorbere lyset (sensitize). For at dette skal fungere må vi også ha en effektiv overførsel av energi mellom disse delene av materialet. Også denne tanken er gammel, men til nå har det vist seg vanskelig å finne en god kombinasjon av materialer som ikke bare åpner for større tap av energi. Det er her SunUP prosjektet kommer inn. Vår metode er å gro en tett blanding av de ulike klassene med materialer via gassfase. På den måten kan vi pakke inn og skjerme sensitizer materialene fra uønskede reaksjonsveier og heller åpne for radikalt nye muligheter for å endre på lys ved bruk av oppkonvertering. Vårt fokus er nå på sensitizere basert på større molekyler med høy absorbsjonsevne. Disse må absorbere sollyset godt og i tillegg ha noen egenskaper som gjør at de lett kan plasseres i strukturen der vi ønsker det. En generell ulempe med slike sensitizers er at de er store molekyler som krever høy temperatur for å tilføres gjennom gassfase. Gjennom SunUp har vi utviklet en ny effektiv kjemi som åpner for bruk av andre typer reaktive grupper som krever mindre for å bli bragt i gassfase. Vi designer molekyler for deponering gjennom gassfase som tidligere ikke har vært mulig. Dette har åpnet for effektiv deponering ved lavere temperaturer, men også for å bruke en ny klasse store molekyler.

Prosjektet har utviklet ny kjemi og teknologi for deponering av store organiske molekyler via gassfase. Denne kjemien har stort potensiale både for effektiv deponering ved lave temperaturer, men også for bruk av større molekyler ved høyere temperaturer ved at mer termisk stabil kjemi kan brukes.

The aim of this project is to radically improve solar hydrogen production, by developing materials that effectively turn visible light into UV light. High energy photons can drive chemical reactions, destroy DNA and split water into its elements. Utilizing this force allows us to produce green hydrogen from light and water alone, through photocatalysts like TiO2. Green hydrogen is a core concept in EU’s Green Deal where it acts as cornerstone in decarbonizing the energy system. This usually means using renewable energy to run electrolysis of water. Solar photochemical hydrogen on the other hand eliminates the electrolysis step altogether. However, the amount of UV in sunlight is too small to effectively drive the photocatalysts directly. Decades of research have focused on increasing the photocatalysts absorption of sunlight, unfortunately often at the expense of chemical conversion efficiency. If we instead could effectively convert sunlight to UV, we can use already well-established photocatalysts like TiO2 that have a high chemical efficiency but limited utilization of sunlight. By efficient and broadband upconversion of visible sunlight to UV, SunUP will radically enhance the efficiency of solar-to-hydrogen production by combining the high hydrogen production efficiency of photocatalysts such as TiO2 with a novel sensitized upconversion nanocomposite materials.