Vedyn käyttö sähköntuotannossa ja polttoaineena tarjoaa mahdollisuuden vähentää dramaattisesti fossiilisten polttoaineiden käyttöä. Nykyisin vetyä tuotetaan pääasiassa maakaasusta. Merissä vetyä olisi kuitenkin lähes rajattomasti, mutta ongelmana on veden hajottaminen vedyksi ja hapeksi.

– Ratkaisu ongelmaan voi löytyä auringonvalosta, käyttämällä veden hajottamiseen valokatalyyttisiä metallioksidimateriaaleja. Yksi tällainen materiaali on hematiitti, raudan yleisimmin esiintyvä oksidi, eli tuttavallisemmin sanoen ruoste, kertoo TTY:llä väittelevä  Ruoko.

Hematiitti on erityisen hyödyllinen materiaali valokatalyyttisiin sovelluksiin, koska se punaisena materiaalina absorboi eli imee itseensä suuren osan auringon säteilykaistasta. Hematiitista voi valmistaa ohuita nanorakenteita, jotka absorboivat tehokkaasti auringonvaloa.

– Valon virittämät varauksenkuljettajat hematiitissa osallistuvat veden hajottamiseen hapeksi materiaalin pinnalla. Samanaikaisesti hematiitista lähtöisin olevat elektronit pelkistävät elektrolyysikennon vastaelektrodilla vedestä vetyä, Ruoko selittää.

Ruoko tutki hematiittielektrodin pinnalla tapahtuvia varauksenkuljettajien siirtoreaktioita. Tutkimuksessa hän käytti niin sanottua aikaerotteista spektroskopiaa. Menetelmässä näyte viritetään ultranopealla laserpulssilla, jonka kesto on alle sata femtosekuntia eli sekunnin miljardisosan miljoonasosaa.

– Pulssin kestoa kuvaa hyvin se, että valo etenee siinä ajassa alle ihmisen hiuksen paksuuden verran. Itse mitattava muuttuja on ajasta riippuva muutos siinä kuinka paljon valoa näyte absorboi. Kun lasersäde virittää tutkittavan materiaalin, näytteen absorptio muuttuu virittyneiden varauksenkuljettajien absorption seurauksena. Erityisen tärkeää on se, että menetelmä paljastaa veden hajotusreaktion nopeuden materiaalin pinnalla.

Veden hajotus arkipäivää kymmenessä vuodessa?

Tutkimalla absorption muutosta voitiin selvittää, miten hematiitin virittyneet varauksenkuljettajat liikkuvat, palaavat perustilaan tai siirtyvät vedelle. Määritettyjä reaktionopeuksia taas käytettiin materiaalien optimoimiseen lisäämällä varauksenkuljettajien liikkuvuutta monikerrosmateriaaleilla sekä seostamalla lisäaineita hematiittiin.

– Pystyimme suoraan osoittamaan varauksenkuljettajien siirtymisen nopeutuvan, minkä lisäksi pitkäikäisten varauksenkuljettajien määrän havaittiin olevan suoraan verrannollinen vedyn tuotannon tehokkuuteen, Ruoko kertoo.

Tällä hetkellä huippuluokan systeemit jäävät viiden prosentin hyötysuhteeseen, mutta teollinen käyttöönotto edellyttäisi kymmentä prosenttia. Ruoko on kuitenkin optimistinen, että seuraavan kymmenen vuoden kuluessa veden hajotuksesta tulee arkipäivää energiantuotannossa.

– Vetytalous on todennäköinen osa tulevaisuuden yhteiskuntaa, ja tähän kuuluu olennaisena osana vedyn tuotanto kestävän kehityksen mukaisesti, Ruoko kertoo.

 Diplomi-insinööri Tero-Petri Ruokon kemian alaan kuuluva väitöskirja Charge Carrier Dynamics in Solar Water Oxidation tarkastetaan julkisesti Tampereen teknillisen yliopiston (TTY) teknis-luonnontieteellisessä tiedekunnassa keskiviikkona 24.5.2017 .

Tero-Petri Ruoko on kotoisin Porista ja työskentelee tällä hetkellä Photonic compounds and nanomaterials -tutkimusryhmässä.