Materiały MOF i upkonwersja fotonowa. Nowe podejście do fotokatalitycznej produkcji wodoru

Czy światło widzialne można wykorzystać do wydajniejszej produkcji zielonego wodoru z wody? Dr Min Ying Tsang z Łukasiewicz – PORT pracuje nad nowym materiałem fotokatalitycznym opartym na szkieletach metaloorganicznych i lantanowcach. W projekcie „HydroUp” naukowcy wykorzystają także zautomatyzowane systemy badawcze, aby zoptymalizować skład i właściwości fotokatalizatora.

Większość produkowanego dziś wodoru pochodzi z paliw kopalnych, przede wszystkim gazu ziemnego, a jego wytwarzaniu towarzyszą znaczne emisje dwutlenku węgla. Naukowcy poszukują więc metod, które pozwolą ograniczyć wpływ produkcji wodoru na środowisko. Jednym z obiecujących kierunków jest fotokataliza, która umożliwia pozyskiwanie wodoru z wody przy wykorzystaniu energii światła. Choć metoda znana jest od lat, jej praktyczne wykorzystanie ograniczają m.in. niska wydajność i trwałość stosowanych materiałów. Kluczowym wyzwaniem jest opracowanie fotokatalizatorów, które pozwolą efektywniej wykorzystywać energię słoneczną do tego procesu. Nad takim rozwiązaniem, mogącym zwiększyć efektywność produkcji zielonego wodoru z wody przy wykorzystaniu energii słonecznej, pracuje dr Min Ying Tsang, kierująca Grupą Badawczą Funkcjonalnych Makrocząsteczek i Materiałów Porowatych w Łukasiewicz – PORT.

Upkonwersja fotonowa sposobem na zwiększenie efektywności fotokatalizy

Dr Min Ying Tsang specjalizuje się w projektowaniu i syntezie szkieletów metaloorganicznych (MOF) – materiałów o uporządkowanej, porowatej strukturze, których właściwości można dostosowywać do konkretnych zastosowań. W swoich dotychczasowych badaniach zajmowała się m.in. możliwościami ich wykorzystania w fotokatalizie, wychwytywaniu dwutlenku węgla i technologiach optycznych.

Ograniczeniem fotokatalizy jest to, że wiele stosowanych materiałów wymaga do działania promieniowania ultrafioletowego (UV). Tymczasem w świetle słonecznym docierającym do powierzchni Ziemi jest go niewiele. Dominuje światło widzialne, którego pojedyncze fotony mają jednak zbyt mało energii, by aktywować niektóre fotokatalizatory. Naukowcy próbują modyfikować te materiały tak, aby mogły bezpośrednio wykorzystywać światło widzialne. Dr Min Ying Tsang proponuje jednak inne podejście.

– Dzięki właściwościom lantanowców możemy przekształcać światło widzialne w promieniowanie o wyższej energii, które będzie w stanie aktywować fotokatalizator. To nowatorski element naszego projektu – wskazuje.

Badaczka chce opracować materiał oparty na szkieletach metaloorganicznych zawierających tytan i domieszkowanych lantanowcami, czyli pierwiastkami o szczególnych właściwościach optycznych. Materiał miałby łączyć zdolność przekształcania energii światła z właściwościami fotokatalitycznymi. Pomysł zrodził się z połączenia doświadczeń dr Min Ying Tsang w badaniach nad materiałami porowatymi i nanocząstkami wykazującymi zjawisko upkonwersji fotonowej.

– Wcześniej pracowałam z nanocząstkami wykorzystywanymi m.in. w obrazowaniu. W ten sposób poznałam zjawisko upkonwersji fotonowej i zaczęłam się zastanawiać, dlaczego nie spróbować zastosować tego mechanizmu w materiałach MOF – wyjaśnia.

Automatyzacja badań nad nowymi fotokatalizatorami

Projekt „HydroUp” otrzymał rekomendację do dofinansowania w konkursie Narodowego Centrum Nauki „Opus 30 LAP”. Dr Min Ying Tsang będzie realizować badania we współpracy z Uniwersytetem w Zurychu, który dysponuje laboratorium wysokoprzepustowym, wyposażonym w zautomatyzowane systemy badawcze.

Prace podzielono na trzy etapy. Najpierw naukowcy we Wrocławiu opracują materiał fotokatalityczny i określą sposób jego otrzymywania. Następnie szwajcarscy partnerzy wykorzystają systemy automatyzacji do optymalizacji jego składu i właściwości. W ostatnim etapie badacze z Łukasiewicz – Polskiego Ośrodka Rozwoju Technologii wytworzą najbardziej obiecujące materiały w większej skali i sprawdzą ich skuteczność w produkcji wodoru. Szczególnie istotne będzie dobranie optymalnego stężenia lantanowców w materiale. Nawet niewielkie zmiany ich ilości mogą wpływać na jego właściwości, dlatego eksperymenty wymagają dużej precyzji.

– Kiedy wykonujemy doświadczenia ręcznie, zawsze istnieje ryzyko błędów i różnic pomiędzy kolejnymi próbami. W laboratorium w Zurychu wykorzystywane są roboty, które pozwalają bardzo dokładnie kontrolować ilości dodawanych substancji. Dzięki temu eksperymenty są powtarzalne, a my możemy precyzyjnie ustalić, jaki skład materiału sprawdza się najlepiej – tłumaczy dr Min Ying Tsang.

W realizację projektu zaangażowany będzie również dr Łukasz Janicki z Grupy Badawczej Epitaksji Związków Półprzewodnikowych w Łukasiewicz – PORT. Naukowcy wykorzystają doświadczenie i istniejącą aparaturę do badań nad rozkładem wody i wytwarzaniem wodoru. W ramach projektu zaplanowano także zakup dodatkowego wyposażenia, które umożliwi prowadzenie eksperymentów z nowymi fotokatalizatorami.

W stronę wydajniejszej produkcji zielonego wodoru

Badacze chcą sprawdzić, czy proponowane rozwiązanie rzeczywiście pozwoli zwiększyć skuteczność fotokatalizatorów. Jeśli nowa metoda okaże się skuteczna, konieczne będą dalsze badania nad możliwością jej praktycznego zastosowania.

– Mam nadzieję, że stanie się to jedną ze strategii, które mogą poprawić działanie obecnych fotokatalizatorów. Koszt produkcji wodoru stanowi poważną barierę, dlatego warto badać różne możliwości zwiększania efektywności tego procesu – podsumowuje dr Min Ying Tsang.

Źródło: Łukasiewicz – Polski Ośrodek Rozwoju Technologii

Czytaj także: Porowate ciecze do usuwania amoniaku pomysłem na poprawę produkcji biogazu