O powstawaniu paliw z wody

+

Koncepcja samochodów napędzanych wodorem współcześnie nikogo już nie dziwi, a pojazdy takie będą coraz popularniejsze na naszych drogach. Ich główną zaletą jest uniezależnienie od paliw kopalnych oraz brak emisji wywołującego efekt cieplarniany dwutlenku węgla. Unia Europejska dotuje projekty rozwoju takich pojazdów oraz wspiera pomysł pokrycia kontynentu siecią specjalnych wodorowych stacji, w których można będzie zatankować bak tym paliwem przyszłości.

A gdyby posunąć się o krok dalej? Gdyby wodorowe paliwo produkowane było na bieżąco, w samochodzie, bez żadnego zewnętrznego źródła energii, całkowicie za darmo? Wówczas taki samochód wymagałby jedynie uzupełniania poziomu wody w baku. To, co dla niektórych może wydawać się odległą przyszłością albo wręcz mało realistycznymi mrzonkami, staje się jednak faktem, także za sprawą naszej firmy.

W dobiegającym końca projekcie SONATA finansowanym przez Narodowe Centrum Nauki (2016/21/D/ST4/00221), wspólnie z naukowcami z Uniwersytetu w Mediolanie badaliśmy wykorzystanie związków miedzi jako aktywnych materiałów w procesie indukowanego światłem wytwarzania wodoru. Opracowane przez nas nanomateriały zdolne są do pochłaniania światła słonecznego w szerokim jego zakresie, to jest zarówno światła widzialnego jak i ultrafioletu i bliskiej podczerwieni. Wskutek tej absorbcji dochodzi do wygenerowania par ładunków: elektron-dziura. Ładunki te z kolei mogą reagować z cząsteczkami wody, powodując utlenianie wody oraz jej redukcję, z utworzeniem wodoru. Wyobraźmy sobie zatem dach samochodu w postaci fotoelektrochemicznego panelu, w którym dochodzi do produkcji wodoru dzięki jego oświetleniu przez światło słoneczne. Nie jest to nowy pomysł, bowiem podwaliny koncepcji położono już w drugiej połowie ubiegłego wieku jednak wciąż problemem jest znalezienie odpowiednich materiałów, zdolnych do produkcji wodoru z satysfakcjonującą wydajnością. Problemem jest także stabilność materiałów, bowiem wiele ze znanych półprzewodników, oferujących obiecującą wydajność ulega fotokorozji czyli degradacji powodującej zanik swoich zdolności konwersji światła na energię chemiczną.

W naszych badaniach skupiliśmy się właśnie na poprawie tego drugiego parametru, czyli stabilności i trwałości materiałów fotokatalitycznych, bowiem aby można myśleć o ich praktycznym wykorzystaniu na przykład w napędzanych wodorem pojazdach, ich żywotność nie może ograniczać się do minut czy godzin (jak to często deklarowane jest w publikacjach naukowych) a raczej miesięcy lub lat. W zaproponowanej przez nas koncepcji połączyliśmy w jeden kompozyt różne półprzewodniki, skupiając się przede wszystkim na związkach miedzi, gdyż istnieją silne naukowe przesłanki o wysokiej fotoaktywności tlenku miedzi, a przy tym są to związki powszechnie dostępne, tanie oraz o niskiej toksyczności zarówno dla człowieka jak i wobec elementów środowiska naturalnego. Badaliśmy zatem kompozyty tlenku miedzi(I) z tlenkiem miedzi(II), tlenku miedzi(II) z jodkiem miedzi czy tlenku miedzi(II) z grafitowanym azotkiem węgla. Opracowane kompozyty cechują się nie tylko dużą wydajnością wytwarzania wodoru, ale także dzięki procesowi wzajemnej wymiany ładunków są bardziej trwałe niż izolowane półprzewodniki. Podczas aktu wzbudzenia ładunków w ziarnie materiał fotokatodowego następuje silna separacja ładunków, elektrony migrują w stronę jednego składnika kompozytu zaś dziury w stronę drugiego. Dzięki takiemu zachowaniu badane przez nas kompozyty półprzewodnikowe wykazują efekt samo-ochronny a nawet samo-regeneracyjny. Dzięki temu są stabilne i w sposób trwały i jednorodny mogą produkować wodór. Tak interesujące właściwości zostały potwierdzone dzięki wykorzystaniu bardzo zaawansowanych metod naukowych, a przede wszystkim metod synchrotronowych (technika XAS), które pozwoliły nam „na żywo” obserwować przepływ ładunków w ziarnie półprzewodnika podczas pracy. Badania te prowadziliśmy w Europejskim Ośrodku Synchrotronu Atomowego w Grenoble we Francji.

Podsumowując należy stwierdzić, iż w udało się zrobić krok w stronę otrzymania materiałów do wytwarzania fotokatod o podwyższonej stabilności i trwałości. W dalszym ciągu jednak trwają prace nad intensyfikacją procesu wytwarzania wodoru i eliminacją niekorzystnych współprocesów takich jak rekombinacja ładunków. Osiągnięcie sukcesu w założonych badaniach pozwoli nam rozpocząć badania rozwojowe i prace zmierzające do wdrożenia.

Więcej o naszych badaniach można poczytać w opublikowanych przez nas artykułach w czasopismach specjalistycznych:

  • Tomasz Baran, Szymon Wojtyła, et al., An Efficient CuxO Photocathode for Hydrogen Production at Neutral pH: New Insights from Combined Spectroscopy and electrochemistry, ACS Appl. Mater. Interfaces , 2016, 8 (33), pp 21250-21260
    (
    https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsami.6b03345)

  • Szymon Wojtyła, Konrad Szmit, Tomasz Baran, Type II Heterostructures: The Way Towards Improved Photoelectrochemical Activity of Graphitic Carbon Nitride, J. Inorg. Organomet. Polym. 2018, 28, 492-499 (https://link.springer.com/article/10.1007/s10904-017-0733-3)

  • Tomasz Baran, Alberto Visibile, Szymon Wojtyła, et al., Reverse type I core – CuI /shell – CuO: A versatile heterostructure for photoelectrochemical applications, Electrochim. Acta. 2018, 266, 441-451(https://doi.org/10.1016/j.electacta.2018.02.023)