Elektroliza napędzana światłem – sposób na ekologiczny wodór

Zespół zainicjowany przez badaczkę z Wojskowej Akademii Technicznej uzyskał bardzo dobrą wydajność fotoelektrokatalitycznego rozkładu wody. Ta metoda wydzielania wodoru jest w odpowiednich warunkach jedną z najbardziej ekologicznych metod pozyskiwania wodoru. Opracowane przez dr Ewę Wierzbicką materiały mogą znaleźć zastosowanie w produkcji H2 z wody pod wpływem światła.

Badacze z Wojskowej Akademii Technicznej (WAT) poinformowali, że fotoelektrokatalityczny rozkład wody to obiecująca alternatywa dla obecnie stosowanych metod pozyskiwania wodoru.

– 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 – wyjaśnia dr Ewa Wierzbicka z Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT, cytowana na stronie uczelni.

REKLAMA

Badaczka podkreśla, że nadal problemem jest zwiększenie wydajności produkcji wodoru, stabilność materiałów fotoaktywnych, ale też inne aspekty technologiczne procesu dotyczące 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 – mówi Ewa Wierzbicka.

Pionierskie badania

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

Naukowcy z WAT 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.

REKLAMA

Napęd: energia ze słońca

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, świadczące 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 Ewa Wierzbicka.

Międzynarodowy zespół

Badania zainicjowane zostały podczas pobytu dr Wierzbickiej na stypendium Humboldta w Berlinie. Następnie były kontynuowane we współpracy z grupą elektrochemii Uniwersytetu Jagiellońskiego, a ukończone zostały 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.

Źródło: Nauka w Polsce