Zrównoważona produkcja fotoanod WO₃ dla elektrolizy wody

W czasopiśmie „Sustainable Materials and Technologies” ukazał się artykuł naukowy pt. „Sustainable design and tuning of nanostructured WO₃ via green anodization in pure lactic acid for photoelectrochemical water splitting”. Jego autorami są członkowie Zespołu Elektrochemii Wydziału Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego: mgr Daniel Piecha, mgr Mateusz Szczerba, dr Piyali Chatterjee i prof. dr hab. Grzegorz Sulka. Publikacja powstała we współpracy z dr inż. Olgą Chernyayevą z Laboratorium Analiz Powierzchni Instytutu Chemii Fizycznej PAN w Warszawie.

Energia słoneczna jest jednym z kluczowych zasobów, które mogą pomóc nam zmierzyć się z wyzwaniami związanymi ze zmianami klimatycznymi i dekarbonizacją. W ostatnich latach coraz więcej uwagi poświęca się technologiom pozwalającym nie tylko przekształcać światło słoneczne w elektryczność, ale także bezpośrednio produkować paliwa, np. poprzez rozszczepianie wody (wytwarzanie wodoru). W tym kontekście materiały fotoelektrodowe odgrywają kluczową rolę. To one muszą spełniać bardzo surowe wymagania: być stabilne, wydajne, trwałe i możliwe do produkcji przy rozsądnych kosztach i niskiej szkodliwości dla środowiska.

Dobrze znanym półprzewodnikowym materiałem fotoanodowym jest tlenek wolframu (WO₃), który można syntezować metodą anodowego utleniania (anodyzacji) metalicznego wolframu. Efektywny proces anodyzacji wymaga zastosowania odpowiedniego elektrolitu, w którym zanurzone są katoda i anoda podczas anodowego utleniania. Dostępna literatura wskazuje, że wiele prac skupia się na zastosowaniu elektrolitów zawierających jony fluorkowe (F-), których rola opiera się na kształtowaniu struktury powstających warstw tlenkowych. Jony te wchodzą w reakcje z powstającą warstwą tlenku, często powodując tworzenie nanoporowatych struktur WO₃. Jednak relatywnie wysokie stężenia tych toksycznych dla środowiska i organizmów żywych substancji znacznie obniżają atrakcyjność tego podejścia syntezy w kontekście respektowania zasad zielonej i zrównoważonej chemii.

Można to zrobić inaczej

W odpowiedzi na ten problem badacze z Zespołu Elektrochemii zaproponowali nowe podejście do syntezy nanostrukturalnych warstw WO₃ metodą anodowego utleniania, stosując jako elektrolit czysty kwas mlekowy o relatywnie niskim stężeniu (150 i 300 mM). To podejście pokazuje, że zastosowanie biodegradowalnego, przyjaznego dla środowiska kwasu mlekowego pozwala na kontrolowany wzrost warstw tlenkowych o porowatej strukturze, bez konieczności wykorzystywania fluorków jako dodatków zapewniających częściowe trawienie materiału i tworzenie tym samym struktur porowatych.

Autorzy przeprowadzili kompleksową optymalizację procesu anodowego utleniania prowadzonego w tym elektrolicie (sprawdzono efekt stężenia elektrolitu, temperatury procesu oraz napięcia anodyzacji), znajdując optymalne warunki syntezy w kontekście efektywnego zastosowania w fotoelektrochemicznym rozkładzie wody. Ponadto, oprócz badania aktywności fotoelektrochemicznej (PEC), uzyskane materiały poddano odpowiedniej charakterystyce morfologii, składu chemicznego i fazowego, a także właściwości optycznych i półprzewodnikowych. Przedstawione w tej publikacji badania otwierają nową drogę do zrównoważonego projektowania fotoanod WO₃ w kierunku generowania zielonego paliwa przyszłości, stosując przyjazną dla środowiska metodę syntetyczną.

Badania zrealizowano w ramach projektu „Polonez Bis 3” (2022/47/P/ST5/00813), kierowanego przez dr Piyali Chatterjee i współfinansowanego ze środków Narodowego Centrum Nauki. Artykuł przeczytasz tutaj.

Źródło: Wydział Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie

Czytaj także: Polacy współautorami nowej metody badania reakcji chemicznych