Nowe odkrycie ułatwi fotokatalityczną produkcję wodoru

Zespół badawczy kierowany przez naukowców z Chalmers University of Technology przedstawił wyniki badań, które istotnie wzmacniają tezę, że efektywna produkcja wodoru z wykorzystaniem światła słonecznego i wody może odbywać się bez użycia platyny.

Dane opublikowane w artykule naukowym pokazują, że platynowe katalizatory nie muszą być koniecznym warunkiem osiągania wysokich wydajności w fotokatalizie.

Platyna jest zbyt droga

Wodór jest postrzegany jako jeden z kluczowych nośników energii w transformacji energetycznej, ponieważ w procesie jego eksploatacji jako produkt uboczny powstaje wyłącznie woda. Fotokataliza, czyli bezpośrednia konwersja energii słonecznej w wiązania chemiczne, jest wskazywana jako jedna z obiecujących dróg produkcji wodoru, jednak jej praktyczne zastosowanie było dotąd ograniczane przez konieczność stosowania drogich i rzadkich metali – przede wszystkim platyny, której wydobycie wiąże się z ryzykiem środowiskowym i zdrowotnym, a produkcja jest skoncentrowana w niewielkiej liczbie krajów, w tym m.in. na terenie Rosji.

REKLAMA

W nowym badaniu naukowcy skupili się na organicznych półprzewodnikach, a dokładniej na sprzężonych polimerach przetwarzanych w postaci nanocząstek zdyspergowanych w wodzie. Takie podejście zwiększa powierzchnię aktywną materiału i poprawia wymianę z ośrodkiem wodnym. W przeciwieństwie do wielu nieorganicznych fotokatalizatorów, materiały organiczne oferują szeroki zakres absorpcji (pochłaniania) światła – od ultrafioletu po bliską podczerwień – który można precyzyjnie „dostrajać” przez projektowanie molekularne.

Optymalizacja polimeru kluczem do sukcesu

Kluczowym elementem opisywanego rozwiązania jest zastosowanie jednostek dibenzotiofeno-S,S-sulfotlenkowych (BTSO) oraz wprowadzenie polarnych łańcuchów bocznych na bazie oligo-etylenoglikolu (OEG). Jak pokazują autorzy pracy, wysoka polarność tych fragmentów znacząco poprawia uwodnienie struktury polimeru i dostęp protonów do aktywnych miejsc reakcji. W porównaniu z analogicznymi materiałami wyposażonymi w niepolarne łańcuchy alkilowe uzyskano niemal 30-krotny wzrost szybkości reakcji wydzielania wodoru – z poziomu około 3 do 90 mmol/g/h.

Dalsza optymalizacja struktury, w tym wprowadzenie elementów typu donor–akceptor oraz kontrola morfologii nanocząstek, pozwoliła osiągnąć jeszcze wyższe wartości. W warunkach zoptymalizowanych zespół raportuje szybkość reakcji wydzielania wodoru (HER) na poziomie 209 mmol/g/h – całkowicie bez użycia platyny. Jest to wynik wyraźnie wyższy nie tylko od większości wcześniej opisywanych systemów bezplatynowych, dla których typowe wartości sięgały około 14 mmol/g/h, lecz także od wielu układów zawierających platynę jako współkatalizator.

REKLAMA

Zespół podaje również inne konkretne wyniki ilościowe. Otóż, przy użyciu jednego grama materiału polimerowego możliwe jest wytworzenie około 30 litrów wodoru w ciągu godziny. Dodatkowo inne prace badawcze wskazują, że sam przewodzący plastik może być produkowany w sposób tańszy i bez użycia szkodliwych chemikaliów.

Następna do eliminacji: witamina C

Autorzy podkreślają, że na uzyskiwane wydajności wpływa nie jeden czynnik, lecz równowaga pomiędzy absorpcją światła, generacją i żywotnością stanów wzbudzonych, stabilnością materiału oraz dostępnością aktywnych jednostek BTSO. Istotną rolę odgrywa również pH środowiska reakcji. W badaniu wykazano, że optimum przypada na pH około 2,5, co zapewnia kompromis pomiędzy dostępnością protonów a formą chemiczną kwasu askorbinowego, stosowanego jako donor elektronów. Kolejnym celem badań – według przekazu naukowców – jest jednak osiągnięcie pełnego rozszczepiania wody na wodór i tlen wyłącznie przy użyciu światła słonecznego i wody, bez jakichkolwiek dodatków, a więc eliminacja także witaminy C.

Więcej na temat procesu badawczego i jego wyników można przeczytać w artykule „Highly Efficient Platinum-Free Photocatalytic Hydrogen Evolution From Low-cost Conjugated Polymer Nanoparticles” opublikowanym w czasopiśmie Advanced Materials.

Radosław Błoński 

redakcja@gramwzielone.pl

© Materiał chroniony prawem autorskim. Wszelkie prawa zastrzeżone. Dalsze rozpowszechnianie artykułu tylko za zgodą wydawcy Gramwzielone.pl Sp. z o.o.