– Den största drivkraften i min forskning är att vi tror att vi kan hjälpa till att lösa energiproblemen. Sol är en energikälla som finns i överflöd i hela världen. Frågan är hur man på ett både hållbart och effektivt sätt kan omvandla den energin till något annat, till exempel bränslen, säger Haining Tian, docent i fysikalisk kemi.

Intresset för kemisk omvandling av solenergi har funnits sedan doktorsstudierna vid Dalian University of Technology i Kina, och tog honom till KTH och en tjänst som postdoktor. Sedan 2014 har Haining Tian byggt upp sin egen forskargrupp på Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet.

– Min bakgrund är inom organisk kemi, så jag tittar alltid på lösningar på energiproblem ur det perspektivet. Forskningsmiljön på Ångströmlaboratoriet är fantastisk, en ideal plats för mig och min forskning. Vi har tillgång till en avancerad instrumentpark och har nära samarbete med andra forskargrupper.

Det finns många sätt att omvandla energiflödet från solen, konstaterar Haining Tian.

– Man kan omvandla solenergi termiskt till värme, eller till elektricitet via solceller. I projektet jag driver med stöd av Knut och Alice Wallenberg Stiftelse vill vi utveckla fotokatalysatorer som med vatten och koldioxid omvandlar solenergi direkt till vätgas och kolbaserade bränslen. Det handlar också om lagring av solenergi i bränslen.

”Det är väldigt spännande. Tack vare fellowanslaget har jag möjlighet att verkligen fokusera på min forskning i fem år. Jag kan rekrytera excellenta medarbetare att arbeta tillsammans med i det här projektet och försöka nå mina forskningsmål.”

Miljövänliga polymerprickar

Traditionellt har de katalysmaterial som används vid solenergiomvandling varit metallbaserade, berättar Haining Tian. Men på senare år har intresset för katalysatorer baserade på organiska polymerer ökat inom forskningsfältet.

– Om vi omvandlar solenergi till bränsle med stöd av väldigt dyra eller giftiga metallbaserade material så missar vi slutmålet som är helt förnybara och hållbara system. Därför arbetar vi med organiska polymerer, som inte är giftiga. De är också nedbrytbara.

En utmaning med metallfria katalysatorer är att de är svårlösliga i vatten och har begränsade reaktionsytor. Haining Tians koncept baseras på skräddarsydda katalysatorer i form av nanostora polymerprickar, Pdots, som har hög löslighet i vatten. Att de kan lösas i vatten gör att reaktionsytan blir större och att effektiviteten ökar.

Simulerar solljus

Det Haining Tian har som målbild är en fotoelektrokemisk komponent som kan sättas inuti en reaktor för att med solljus både spjälka vatten och göra koldioxidreduktion utan några andra kemikalier.

– Processen är väldigt miljövänlig eftersom vi bara behöver vatten som lösningsmedel. Målet är att kunna reducera koldioxid från atmosfären, men i labbet används koncentrerad koldioxid för att kunna göra experimenten och testa konceptet, säger Haining Tian.

Svårigheten är att få till en komplett katalysreaktion. Med det menas, förklarar Haining Tian, att om man har polymerkatalysatorer och lägger till vatten så vill man med solljus spjälka vattenmolekylerna till syre och väte, men vanligtvis fungerar dessa polymerer endast för en del av spjälkningen. Och hittills finns få studier om polymerer som klarar både att spjälka vatten och att göra en full koldioxidreduktion.

– Vi har lyckats bra med att producera väte på ett effektivt sätt. Vattenoxidation till syre och koldioxidreduktion har vi inte gjort tidigare så nu inkluderar vi det. Så när vi har fått fram effektiva polymerer för de olika reaktionerna kan vi kombinera dem, och skapa ett system för att göra kompletta reaktioner.

Flera steg återstår

Katalysprocessen sker i molekylär skala, och för att kunna studera exakt vad som sker tar Haining Tian hjälp av olika spektroskopiska metoder och andra tekniker.

– I labbet tillverkar vi polymerprickarna, vi kan till exempel skräddarsy dem så att de kan absorbera olika våglängder i solljuset. Med hjälp av simulatorer som genererar solljus och en reaktor som innehåller våra polymerlösningar studerar vi de kemiska reaktionerna. Vi belyser reaktorn med ljus för en viss tid och får då en gas som vi studerar med gaskromatografi. Tack vare anslaget har vi kunnat köpa en egen gaskromatograf. Det är ett nyckelinstrument för oss.

Det återstår flera steg innan det är möjligt att producera förnybara solbränslen av enbart vatten och koldioxid, men kunskapen om organiska polymerkatalysatorer är central för att nå dit. I framtiden vill Haining Tian gärna starta ett företag baserat på forskningsresultaten i projektet.

– Vår förhoppning är att tekniken som vi utvecklar ska bli en del av ett hållbart energisystem, och då handlar det också om andra saker. Som att den ska vara tillräckligt effektiv och stabil och inte innebära för höga kostnader. Det är inte frågor jag arbetar med just nu, men det är nödvändigt att inkludera längre fram om man vill få ut dessa ljusdrivna system på marknaden.

Text Susanne Rosén
Bild P-Cats, Sina Wrede, Mariia Pavliuk, Markus Marcetic