Nanomaterials for photoelectrochemical and photocatalytic conversion of solar energy

Ympäristöystävällisten ja uusiutuvien energialähteiden löytäminen on yksi 2000-luvun suurimmista haasteista; globaali väestönkasvu merkitsee entistä suurempia paineita sekä energian että ravinnon tuotannolle. Hiilijalanjäljen pienentämiseksi on käytettävä ympäristön kannalta kestäviä menetelmiä. Ravinnon tuotannossa on pyrittävä löytämään yleisesti saatavilla olevia raaka-aineita, joiden kasvatuksessa ei käytetä ekosysteemiä kuormittavia aineita ja toimivien menetelmien tulisi lisäksi olla myös kustannustehokkaita. Veden hajottaminen auringon valon avulla ja muiden valosähkökemiallisten ilmiöiden hyväksikäyttäminen ovat potentiaalisia menetelmiä hyödyntämään aurinkoenergiaa ja varastoimaan sitä kemialliseen muotoon. Positiivisena seurauksena olisivat energian varastointiin ja kuljetukseen liittyvien haasteiden lieventyminen sekä auringon kokonaissäteilymäärän vaihtelevuuden kompensointi eri alueilla. Muut aurinkoenergian varastointiin liittyvät ilmiöt, kuten fotokatalyyttinen CO2:n pelkistäminen, veden puhdistaminen ja CO2:n muuntaminen biomassaksi, ovat vaihtoehtoisia menetelmiä saasteettoman energian tuottamiseksi. Tässä väitöskirjassa esitetään menetelmiä veden hajottamiseksi vedyksi ja hapeksi sekä vedenpuhdistukseen soveltuvien puolijohdemateriaalien valmistusta ja analyysiä. Väitöskirjan päätavoitteena on parantaa olemassa olevien materiaalien tehokkuutta optimoimalla materiaalien rajapintojen fysikaalista toimintaa ja eri puolijohdemateriaalien kasvatusta sekä tutkia valmistusprosesseja, jotka ovat varsin vähän energiaa kuluttavia. Väitöskirjassa esitellään uusia tekniikoita ohuiden hematiittikalvojen seostamiseen sekä rajapintoihin kohdistuvia tekniikoita, joilla edistetään fotogeneroitujen varauksenkuljettajien kulkeutumista puolijohteesta elektrolyyttiin sekä Fe2O3-TiO2- että III-V-puolijohteissa. Katalyyttisten jalometalli- ja ruteniumdioksidi-nanohiukkasten sähköisesti avustamaton itseorganisoitu kasvu esitetään potentiaalisena menetelmänä metallioksidisubstraateilla erilaisissa kemiallisissa sekä valaistusolosuhteissa sellaisin tuloksin, joita voidaan hyödyntää veden puhdistuksessa. Lopuksi väitöskirjassa laaditaan teknoekonominen arviointi koskien systeemiä, joka yhdistää fotoelektrokemiallisen veden hajottamisen hydrogenotrofisten bakteerien kasvattamiseen. Arvioinnin tuloksia verrataan mikrolevien viljelymenetelmiin. Tämän tutkimuksen tulokset avaavat uusia näkökulmia veden hajottamismenetelmien kehittämiseen erilaisten seostusmenetelmien ja rajapintatekniikoiden avulla esittäen uusia tapoja valenssi- ja johtavuusvöiden energiatilojen säätämiseksi puolijohde-elektrolyyttirajapinnan läheisyydessä. Tässä työssä pyrittiin lisäksi osoittamaan, että on mahdollista kehittää valmistusmenetelmiä, joilla on vähäinen ympäristövaikutus, ja jotka silti ovat kustannustehokkaita vedyn ja hapen tuotannossa.