Volgens sommige schattingen de hoeveelheid zonne-energie die in één jaar het aardoppervlak bereikt, is groter dan de som van alle energie die we ooit zouden kunnen produceren met niet-hernieuwbare bronnen. De technologie die nodig is om zonlicht om te zetten in elektriciteit heeft zich snel ontwikkeld, maar inefficiënties in de opslag en distributie van die stroom zijn een groot probleem gebleven, zonne-energie op grote schaal onpraktisch maken. Echter, een doorbraak van onderzoekers van UVA's College en Graduate School of Arts &Sciences, het California Institute of Technology en het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, Lawrence Berkeley National Laboratory en Brookhaven National Laboratory kunnen een kritiek obstakel uit het proces verwijderen, een ontdekking die een enorme stap voorwaarts betekent in de richting van een toekomst met schone energie.

Een manier om zonne-energie te benutten is door zonne-elektriciteit te gebruiken om watermoleculen te splitsen in zuurstof en waterstof. De waterstof die door het proces wordt geproduceerd, wordt opgeslagen als brandstof, in een vorm die van de ene plaats naar de andere kan worden overgebracht en kan worden gebruikt om op verzoek stroom op te wekken. Om watermoleculen in hun samenstellende delen te splitsen, er is een katalysator nodig, maar de katalytische materialen die momenteel in het proces worden gebruikt, ook bekend als de zuurstofevolutiereactie, zijn niet efficiënt genoeg om het proces praktisch te maken.

Met behulp van een innovatieve chemische strategie ontwikkeld bij UVA, echter, een team van onderzoekers onder leiding van chemieprofessoren Sen Zhang en T. Brent Gunnoe heeft een nieuwe vorm van katalysator geproduceerd met behulp van de elementen kobalt en titanium. Het voordeel van deze elementen is dat ze veel overvloediger van aard zijn dan andere veelgebruikte katalytische materialen die edele metalen bevatten, zoals iridium of ruthenium.

"Het nieuwe proces omvat het creëren van actieve katalytische locaties op atomair niveau op het oppervlak van titaniumoxide-nanokristallen, een techniek die een duurzaam katalytisch materiaal produceert en een techniek die beter is in het activeren van de zuurstofontwikkelingsreactie." Zhang zei. "Nieuwe benaderingen van efficiënte zuurstofontwikkelingsreactiekatalysatoren en een beter fundamenteel begrip ervan zijn essentieel om een ​​mogelijke overgang naar schaalbaar gebruik mogelijk te maken van hernieuwbare zonne-energie. Dit werk is een perfect voorbeeld van hoe de katalysatorefficiëntie voor schone energietechnologie kan worden geoptimaliseerd door nanomaterialen op atomaire schaal af te stemmen."

Volgens Gunnoe, "Deze innovatie, gericht op prestaties van het Zhang-lab, vertegenwoordigt een nieuwe methode om katalytische materialen te verbeteren en te begrijpen, met als resultaat de integratie van geavanceerde materiaalsynthese, karakterisering op atomair niveau en de theorie van de kwantummechanica."

"Een aantal jaar geleden, UVA trad toe tot het MAXNET Energy-consortium, bestaande uit acht Max Planck Instituten (Duitsland), UVA en Cardiff University (VK), waarin internationale samenwerkingsinspanningen werden samengebracht die waren gericht op elektrokatalytische wateroxidatie. MAXNET Energy was de kiem voor de huidige gezamenlijke inspanningen tussen mijn groep en het Zhang-lab, die een vruchtbare en productieve samenwerking is en blijft, ' zei Gunnoe.

Met de hulp van het Argonne National Laboratory en het Lawrence Berkeley National Laboratory en hun ultramoderne synchrotron-röntgenabsorptiespectroscopie-gebruikersfaciliteiten, die straling gebruikt om de structuur van materie op atomair niveau te onderzoeken, het onderzoeksteam ontdekte dat de katalysator een goed gedefinieerde oppervlaktestructuur heeft waardoor ze duidelijk kunnen zien hoe de katalysator evolueert in de tussentijd van de zuurstofontwikkelingsreactie en waarmee ze de prestaties nauwkeurig kunnen evalueren.

"Het werk maakte gebruik van röntgenbundellijnen van de Advanced Photon Source en de Advanced Light Source, inclusief een deel van een 'rapid-access'-programma dat is gereserveerd voor een snelle feedbacklus om opkomende of dringende wetenschappelijke ideeën te verkennen, " zei Argonne röntgenfysicus Hua Zhou, een co-auteur op het papier. "We zijn erg enthousiast dat beide nationale wetenschappelijke gebruikersfaciliteiten substantieel kunnen bijdragen aan zo'n slim en netjes werk op het gebied van watersplitsing dat een sprong voorwaarts zal betekenen voor schone energietechnologieën."

Zowel de Advanced Photon Source als de Advanced Light Source zijn het U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science User Facilities, gevestigd in het Argonne National Laboratory van DOE en het Lawrence Berkeley National Laboratory, respectievelijk.

Aanvullend, onderzoekers van Caltech, met behulp van nieuw ontwikkelde kwantummechanica-methoden waren in staat om de snelheid van zuurstofproductie veroorzaakt door de katalysator nauwkeurig te voorspellen, waardoor het team een ​​gedetailleerd begrip kreeg van het chemische mechanisme van de reactie.

"We ontwikkelen al meer dan vijf jaar nieuwe kwantummechanica-technieken om het reactiemechanisme van zuurstofevolutie te begrijpen, maar in alle eerdere studies, we konden niet zeker zijn van de exacte katalysatorstructuur. Zhang's katalysator heeft een goed gedefinieerde atomaire structuur, en we vinden dat onze theoretische outputs zijn, eigenlijk, in exacte overeenstemming met experimentele waarneembare, " zei William A. Goddard III, een professor in de chemie, materiaal kunde, en toegepaste natuurkunde bij Caltech en een van de hoofdonderzoekers van het project. "Dit biedt de eerste sterke experimentele validatie van onze nieuwe theoretische methoden, waarmee we nu nog betere katalysatoren kunnen voorspellen die gesynthetiseerd en getest kunnen worden. Dit is een belangrijke mijlpaal in de richting van wereldwijde schone energie."

"Dit werk is een geweldig voorbeeld van de teaminspanning van UVA en andere onderzoekers om te werken aan schone energie en de opwindende ontdekkingen die voortkomen uit deze interdisciplinaire samenwerkingen, " zei Jill Venton, voorzitter van de afdeling Chemie van UVA.