Czysty wodór – głębsze spojrzenie na lepsze katalizatory
Odkrycia, że światło słoneczne może prowadzić do rozszczepiania wody na wodór i tlen w obecności dwutlenku tytanu, dokonano prawie 50 lat temu. Ten przełom może okazać się kluczem do odblokowania pozyskiwanego ekologicznie wodoru – jednego z najbardziej obiecujących nośników energii, jakie mamy na uwadze. „Aby wytworzyć wodór z wody, potrzebujemy tylko wody, światła słonecznego i katalizatora, a ten – z definicji – może być użyty ponownie. Później wykorzystanie wodoru do produkcji energii uwalnia jedynie wodę. To sprawia, że wodór jest bardzo czystym nośnikiem energii”, wyjaśnia Ellen Backus, profesor chemii fizycznej na Uniwersytecie Wiedeńskim. Dwutlenek tytanu jest nadal uważany za wzorcowy fotokatalizator i był przedmiotem wielu badań mających na celu poprawę wydajności wspomnianego procesu. Jednak pół wieku po jego odkryciu nadal nie wiemy wiele na temat tego, co zachodzi na poziomie molekularnym podczas fotokatalitycznego rozszczepiania wody. Zespół naukowców pod kierownictwem Backus podjął zdecydowane kroki w kierunku rozwikłania tej zagadki. Projekt FOPS-water (Fundamentals Of Photocatalytic Splitting of Water), mający wsparcie Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych (ERBN), dostarcza nowych informacji na temat mechanizmu molekularnego stojącego za tym procesem.
Podejście oddolne
Najważniejszym osiągnięciem zespołu projektowego jest nowa wiedza na temat tego, jak woda wiąże się z fotokatalizatorem i jak na zjawiska zachodzące na granicy faz wpływa kwasowość. Naukowcy przeanalizowali orientację cząsteczek wody w stosunku do fotokatalizatora oraz to, jak silnie oddziałują zarówno między sobą, jak i z samym fotokatalizatorem. Stanowi to znaczący postęp w kierunku lepszego zrozumienia mechanizmu fotokatalitycznego rozszczepiania wody, co z kolei może pomóc naukowcom podnieść wydajność fotokatalizatora. „Zrozumienie procesu będzie ważnym krokiem w projektowaniu tańszych i wydajniejszych fotokatalizatorów. Obecnie optymalizację katalizatora często przeprowadza się metodą prób i błędów. Nasze wyniki mogą umożliwić bardziej oddolne podejście”, zauważa Backus. Podejmowane wcześniej próby wyjaśnienia reakcji rozszczepiania wody na granicy faz cieczy z elektrodą fotoelektrochemiczną zakładały podejście teoretyczne albo były prowadzone w ekstremalnych warunkach, takich jak niskie temperatury lub bardzo wysoka próżnia (co umożliwiało doświadczalną „wizualizację” cząsteczki), a to nie odzwierciedla normalnych warunków pracy urządzeń dostępnych na rynku. Projekt FOPS-water zajął się wypełnieniem tej luki, zauważa Backus: „Udało się nam zrozumieć ten proces na poziomie molekularnym w środowiskach zbliżonych do warunków rzeczywistych”.
Globalny obraz na poziomie mikro
Zespół zbadał również, co dzieje się po wprowadzeniu fotokatalizatora w stan wzbudzenia, innymi słowy – po podniesieniu jego poziomu energetycznego. Backus wyjaśnia: „Zwiększenie poziomu energetycznego katalizatora jest dobrym odzwierciedleniem działania światła słonecznego. Fotowzbudzenie zmienia ładunek powierzchniowy, a cząsteczki wody dostosowują swoją orientację do nowych warunków”. Oprócz tych aspektów zespół sprawdził, jak szybko może zachodzić rozpraszanie energii podczas tego procesu i w jakiej skali czasowej zachodzi ta reakcja. Dodatkowo podzielono reakcję na oddzielne etapy. Bazując na wiedzy zdobytej w ramach projektu FOPS-water, zespół bada obecnie zjawiska na granicy faz między wodą a innymi fotokatalizatorami. Uczeni chcą uzyskać bardziej ogólny obraz działania katalizatorów w celu określenia odpowiednich parametrów do ich projektowania. Poczynione postępy mogą przybliżyć nas do konstruowania katalizatorów odpowiednich do zrównoważonej produkcji wodoru na dużą skalę, co ułatwi wykorzystanie tego pierwiastka w zastosowaniach takich jak zasilanie samochodów osobowych.
Słowa kluczowe
FOPS-water, wodór, rozszczepianie wody, katalizator, fotokatalizator, poziom molekularny, dwutlenek tytanu, granica faz
