Czy opracowana na Politechnice Krakowskiej nowatorska substancja chemiczna, aktywowana zwykłym światłem, rozwiąże problem zanieczyszczonej chemikaliami wody? Jest na to duża szansa. Międzynarodowy zespół naukowców z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej PK prowadzi prace nad wykorzystaniem grafitowego azotku węgla jako foto- i elektrokatalizatora, zdolnego do przyśpieszania procesów degradacji organicznych zanieczyszczeń wody. Co więcej, nowa substancja może się też okazać przydatna do produkcji wodoru, wykorzystywanego później jako czyste źródło energii.
Prace, prowadzone na Politechnice Krakowskiej w zespole dr hab. inż. Katarzyny Matras-Postołek, prof. PK na Wydziale Inżynierii i Technologii Chemicznej, wpisują się w najpilniejsze obecnie naukowe poszukiwania - skutecznych sposobów rozwiązania kryzysu energetycznego i wspierania ochrony środowiska. – W naszych badaniach koncentrujemy się na opracowywaniu zaawansowanych materiałów, które przyczyniają się do degradacji zanieczyszczeń wody oraz wspomagają konwersję energii odnawialnej np. energii słonecznej – mówi prof. Matras Postołek. – Obecnie prowadzimy prace nad katalizatorem zdolnym do rozkładania organicznych zanieczyszczeń np. pochodzących ze ścieków przemysłowych i komunalnych. Badamy też jego właściwości pod kątem możliwości wpływania na proces produkcji wodoru – mówi Katarzyna Matras-Postołek.
W poszukiwaniu optymalnego katalizatora
Katalizator to swoisty game changer w świecie chemii, substancja, która zmienia mechanizm przebiegu danej reakcji. Bez odpowiedniego katalizatora wiele znanych reakcji chemicznych mogłoby w ogóle nie zaistnieć albo przebiegać niesłychanie wolno, w sposób całkowicie nieopłacalny (czasowo i ekonomicznie). Z takim dodatkiem jak katalizator proces chemiczny zachodzi dużo szybciej i nabiera praktycznego i ekonomicznego sensu. - W żargonie chemików mówimy, że „katalizator obniża energię aktywacji danego procesu, zmieniając w ten sposób mechanizm jego zachodzenia”. Przy czym, aby katalizator spełnił swoją rolę w danej reakcji chemicznej, konieczne jest też odkrycie jaki impuls może go do działania pobudzić. Są takie, które aktywuje działanie światła UV lub widzialnego (fotokalizatory). W przypadku innych bodźcem, który „zmusza” katalizator do pracy jest odpowiednio wysoka temperatura czy impulsy elektryczne (elektrokatalizatory) – przypomina prof. Matras-Postołek. Jak wyjaśnia, skuteczny katalizator charakteryzuje się dwoma cechami - powinien być bardzo stabilny, po to by można go było wykorzystać ponownie lub odzyskać z mieszaniny reakcyjnej oraz nie powinien się zużywać w procesie, który katalizuje.
Opracowaniu takiego stabilnego, taniego katalizatora poświęcony jest prowadzony na Politechnice Krakowskiej projekt pn. „Noble metal clusters incorporated g-C3N4 based heterostructures toward solar-driven photo- and electrochemical conversion”. Kierownikiem badań, współfinansowanych z programu POLONEZ BIS (wsparcie w wys. ponad 1 mln zł) jest dr Xiao Zhang. W projekcie uczestniczą także doktorantki PK Alicja Szymska-Szymanik i Beata Szreniawa. – Jednym z głównych celów naszych badań jest zaprojektowanie sposobu otrzymywania superwydajnego foto- i elektrokatalizatora z azotku węgla, materiału zdolnego do degradacji zanieczyszczeń zawartych w wodzie, a także do produkcji wodoru – mówi dr Xiao Zhang.
Z mocą światła słonecznego przeciwko zanieczyszczeniom wody
Zespół badaczy Politechniki Krakowskiej zainteresował się technologią opartą na procesach foto i elektrokatalitycznych, opisanych po raz pierwszy w 1972 roku przez Akira Fujishimę i Kenichi Hondę na łamach czasopisma „Nature”. Istotą ich odkrycia było właśnie wykorzystywane fotokatalizatorów, które pod wpływem energii świetlnej, przyspieszają procesy chemiczne. Najszerzej dotąd poznanym fotokatalizatorem wykorzystywanym do konwersji energii (np. rozszczepiania wody, redukcji CO2), a także do degradacji i redukcji zanieczyszczeń jest dwutlenek tytanu (TiO2). Jest łatwo dostępny, stabilny, a duża ilość badań potwierdza jego wysoką aktywność. Ale ma istotne wady. Jest aktywny tylko w promieniowaniu UV, wykazując znikomą aktywność w zakresie fal widzialnych. – W naszych badaniach pomyśleliśmy o opracowaniu katalizatora, będącego materiałem zdolnym do rozkładania zanieczyszczeń również pod wpływem widzialnego światła słonecznego. Dzięki temu sam proces będzie jeszcze bardziej ekonomiczny – zdradza prof. Katarzyna Matras-Postołek.
Stąd prace nad wykorzystaniem takiego obiecującego materiału katalitycznego jak grafitowy azotek węgla (g-C3N4). – Badamy go jako stabilny materiał półprzewodnikowy, złożony z pierwiastków węgla i azotu o różnych właściwościach, do budowy materiałów kompozytowych o ulepszonych cechach foto-i elektrochemicznych. Analizujemy jak działanie takiego katalizatora, aktywowanego światłem słonecznym, sprawdza się m.in. przy oczyszczaniu ścieków przemysłowych, np. z zakładów produkujących tekstylia, kolorowy papier, barwiących skóry czy przy oczyszczaniu ścieków komunalnych, zawierających organiczne barwniki, wypłukiwane z barwionych ubrań i innych tekstyliów i trafiające do wody – mówi prof. Katarzyna Matras-Postołek. Ilość takich zanieczyszczeń rośnie, bo wzrasta zapotrzebowanie na barwione produkty, a z nim wzrasta ilość substancji chemicznych wykorzystywanych do barwienia. Ostatecznie mogą one trafiać do środowiska, zatruwając je i powodując poważne zagrożenia także dla ludzkiego zdrowia. – W badaniach naszego zespołu pokazaliśmy jak takie zanieczyszczenia można rozłożyć na proste związki tj. np. wodę i CO2 poprzez zastosowanie opracowanego na Politechnice Krakowskiej fotokatalizatora. Wystarczy dodać go do zanieczyszczonej wody i poświecić przez kilkadziesiąt minut lampą lub pozostawić w świetle dziennym, by barwne zanieczyszczenia uległy degradacji - mówi naukowczyni z PK.
Badania wstępne potwierdziły możliwość wykorzystania materiałów g- C3N4 w rozkładzie standardowych barwników jak oranż metylowy, błękit metylenowy czy rodamina B. - Potwierdziliśmy też, że jest możliwość poprawy właściwości opracowanych przez nas nowych materiałów poprzez zmianę sposobu syntezy czy domieszkowanie atomami metali lub niemetali. W kolejnym etapie prac badawczych nasze katalizatory wykorzystamy też w procesach otrzymywania wodoru oraz w procesach utleniania innych substancji organicznych np. benzenu. Obecnie testujemy czy takie procesy chemiczne zajdą z zastosowaniem naszych katalizatorów. Próbujemy procesy te wzbudzać za pomocą światła lub prądu, elektrochemicznie – mówi dr hab. inż. Katarzyna Matras-Postołek, prof. PK.
Naukowcy Politechniki Krakowskiej finiszują więc z realizacją nadrzędnego celu projektu jakim było wygenerowanie podstawowej wiedzy na temat budowy wysoce wydajnych i tanich foto-/elektrokatalizatorów opartych na g-C3N4 z uproszczonymi etapami syntezy i zwiększoną wydajnością w procesach katalitycznych, mogących znaleźć zastosowanie w praktyce.
Wsparcie z programu POLONEZ BIS
Program POLONEZ BIS, w ramach którego na Politechnice Krakowskiej badania prowadzi chińska naukowczyni dr Xiao Zhang, współfinansuje Komisja Europejska i Narodowe Centrum Nauki w ramach prestiżowego grantu Marie Skłodowska-Curie COFUND. Środki na badania w polskich ośrodkach badawczych otrzymują z niego doświadczeni naukowcy z całego świata. Przyjeżdżają na 2 lata do Polski, aby prowadzić tu badania podstawowe w wybranych przez siebie instytucjach publicznych lub prywatnych. Program gwarantuje laureatom zatrudnienie w pełnym wymiarze czasu pracy oraz dodatkowe fundusze na realizację projektów badawczych w dowolnej dyscyplinie naukowej.
Na Wydziale Inżynierii i Technologii Chemicznej w Zespole Funkcjonalne Nanomateriały pod opieką naukową prof. Matras-Postołek badania finansowane z programu POLONEZ BIS prowadzi też naukowczyni z Ukrainy prof. dr Inna Ivashchenko. Pracuje z wspólnie krakowskim zespołem nad nowymi materiałami kompozytowymi o fotoluminescencyjnych właściwościach do wykorzystania w produkcji diod emitujących białe światło (WLED).
(mas)
Na zdjęciu: Zespół Funkcjonalne Nanomateriały z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej PK, w którym prowadzone są badania m.in. nad wysokowydajnymi katalizatorami. W środkowym rzędzie prof. PK Katarzyna Matras-Postołek (w granatowej marynarce), w dolnym rzędzie dr Xiao Zhang (druga z prawej) / Fot. Jan Zych