Elektroliza napędzana światłem

"Fotoelektrochemiczne oraz fotokatalityczne wydzielanie wodoru (czyli bez przyłożenia zewnętrznego napięcia), to – w idealnych warunkach – jedne z najbardziej ekologicznych metod pozyskiwania wodoru. Teoretycznie są to metody o zerowej (fotokataliza) lub blisko zerowej (fotoelektrokataliza) emisji dwutlenku węgla do atmosfery, a co więcej - prawie bezkosztowe lub bezkosztowe, gdyż bazują na wykorzystaniu energii słonecznej" - zauważa dr Ewa Wierzbicka z Wydziału Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej cytowana na stronie uczelni. - "Niestety nadal mierzymy się nie tylko z problemami związanymi ze zwiększeniem wydajności produkcji wodoru, stabilnością materiałów fotoaktywnych, ale również z wieloma innymi aspektami technologicznymi procesu dotyczącymi pracy całego układu. Nie ukrywam, że do wdrożenia tej metody jest jeszcze bardzo daleka droga. Niemniej jednak wierzę, że dzięki niestrudzonej pracy naukowców z całego świata uda się nam rozwiązać te trudności, aby umożliwić wydajne i ekologiczne wytwarzanie wodoru przy pomocy światła słonecznego".

Jako pierwsza autorka publikacji na ten temat dr Wierzbicka otrzymała tytuł "Emerging Investigator", przyznawany młodym naukowcom przez "Materials Horizons". Praca ma drugą lokatę w rankingu najlepszych publikacji, które ukazały się w 2022 roku w czasopiśmie, tzw. "2022 Materials Horizons Outstanding Paper Award". Nagrodę otrzymują autorzy korespondencyjni, czyli odpowiedzialni za kierunek prowadzonych badań i całokształt artykułu. Wyróżniane są prace proponują nową koncepcję lub nowy sposób myślenia, a nie tylko modyfikację czy ulepszenie wcześniejszych pomysłów.

Naukowcy wytworzyli membrany z nanoporowatego tlenku tytanu wypełnione złotymi nanodrutami. Jak tłumaczy dr Wierzbicka, nowatorskie jest nie tylko połączenie znanych technik anodyzacji i elektroosadzania do wytworzenia tych materiałów, ale także zaprojektowanie morfologii powierzchni, która pozwala poprawić wydajność wydzielania wodoru. "Wykorzystaliśmy dwie metody syntezy, czyli anodyzację w celu uzyskania nanoporowatych struktur TiO2 oraz elektroosadzanie złota w porach tego tlenku w celu utworzenia warstwy nanodrutów. Oryginalnym pomysłem było utworzenie nanoporowatej membrany TiO2 wypełnionej nanodrutami ze złota, odłączonej od podłoża tytanowego, a także wykorzystanie tych nanodrutów jako kolektora fotowzbudzonych elektronów do rozdziału i szybkiego transportu ładunków elektrycznych" - wyjaśnia badaczka.

Nowe materiały mają zdolność do absorpcji światła i przetwarzania tej energii do wytworzenia wiązań chemicznych – w tym przypadku rozkładu wody z wytworzeniem gazowego wodoru i tlenu. W trakcie tego procesu generowane są tzw. fotoprądy, które świadczą o przepływie ładunków pomiędzy elektrodami, na których dochodzi do wydzielenia odpowiednio tlenu i wodoru. W przeciwieństwie do typowej elektrolizy, gdzie proces napędzany jest przez przyłożone zewnętrzne napięcie o relatywnie wysokim potencjale, tu główną siłą napędową procesu jest energia słoneczna. Niewielkie napięcie zewnętrzne służy tylko do ukierunkowania przepływu ładunków, wymuszenia przepływu elektronów i dziur do powierzchni przeciwnych elektrod.

"W porównaniu do komercyjnie stosowanego procesu elektrolizy – w badanej przeze mnie metodzie zapotrzebowanie na energię elektryczną, która musi zostać dostarczona do układu, jest znacznie mniejsze dzięki wykorzystaniu energii słonecznej, co z ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia jest bardzo korzystne" - ocenia dr Wierzbicka. Badania zainicjowane zostały podczas jej pobytu na stypendium Humboldta w Berlinie, kontynuowane we współpracy z grupą elektrochemii Uniwersytetu Jagiellońskiego, a ukończone w WAT. Współautorami artykułu są elektrochemicy z UJ: dr Karolina Syrek, prof. dr hab. Grzegorz Dariusz Sulka oraz naukowcy niemieccy: dr Thorsten Schultz, prof. dr Norbert Koch oraz prof. dr Nicola Pinna.

Nauka w Polsce

kol/ zan/