Bardzo dobrą wydajność fotoelektrokatalitycznego rozkładu wody uzyskał zespół zainicjowany przez badaczkę z WAT. Opracowane przez nią materiały mogą znaleźć zastosowanie w produkcji wodoru z wody pod wpływem światła. To obiecująca alternatywa dla obecnie stosowanych metod pozyskiwania tego nośnika energii - poinformowała uczelnia.

Ekologiczne wytwarzanie 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" - 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".

Nowatorskie odkrycie

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.

Nanoporowaty tlenek tytanu

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.