Koncepcja samochodów napędzanych wodorem współcześnie nikogo
już nie dziwi, a pojazdy takie będą c oraz popularniejsze
na naszych drogach. Ich główną zaletą jest uniezależnienie
od paliw kopalnych oraz brak emisji wywołującego efekt cieplarniany
dwutlenku węgla. Unia Europejska dotuje projekty rozwoju takich pojazdów
oraz wspiera pomysł pokrycia kontynentu siecią specjalnych wodorowych
stacji, w których można będzie zatankować bak tym paliwem przyszłości.

A gdyby posunąć się o krok dalej? Gdyby wodorowe paliwo
produkowane było na bieżąco, w samochodzie, bez żadnego
zewnętrznego źródła energii, całkowicie za darmo? Wówczas taki samochód
wymagałby jedynie uzupełniania poziomu wody w baku. To, co dla niektórych
może wydawać się odległą przyszłością albo wręcz mało realistycznymi
mrzonkami, staje się jednak faktem, także za sprawą naszej firmy.

W ukończonym projekcie SONATA finansowanym przez Narodowe Centrum
Nauki (2016/21/D/ST4/00221),
wspólnie z naukowcami z Uniwersytetu w Mediolanie
badaliśmy wykorzystanie związków miedzi jako aktywnych
materiałów w procesie indukowanego światłem wytwarzania wodoru.
Opracowane przez nas nanomateriały zdolne są do pochłaniania
światła słonecznego w szerokim jego zakresie, to jest zarówno
światła widzialnego jak i ultrafioletu i bliskiej
podczerwieni. Wskutek tej absorbcji dochodzi do wygenerowania par
ładunków: elektron-dziura. Ładunki te z kolei mogą
reagować z cząsteczkami wody, powodując utlenianie wody oraz jej
redukcję, z utworzeniem wodoru. Wyobraźmy sobie zatem dach
samochodu w postaci fotoelektrochemicznego panelu, w którym
dochodzi do produkcji wodoru dzięki jego oświetleniu przez światło
słoneczne. Nie jest to nowy pomysł, bowiem podwaliny koncepcji
położono już w drugiej połowie ubiegłego wieku jednak wciąż problemem
jest znalezienie odpowiednich materiałów, zdolnych do produkcji
wodoru z satysfakcjonującą wydajnością. Problemem jest także
stabilność materiałów, bowiem wiele ze znanych półprzewodników, oferujących
obiecującą wydajność ulega fotokorozji czyli degradacji powodującej zanik swoich
zdolności konwersji światła na energię chemiczną.

W naszych badaniach skupiliśmy się właśnie na poprawie tego
drugiego parametru, czyli stabilności i trwałości materiałów
fotokatalitycznych, bowiem aby można myśleć o ich praktycznym
wykorzystaniu na przykład w napędzanych wodorem pojazdach, ich
żywotność nie może ograniczać się do minut czy godzin
(jak to częs to deklarowane jest w publikacjach naukowych)
a raczej miesięcy lub lat. W zaproponowanej przez nas
koncepcji połączyliśmy w jeden kompozyt różne półprzewodniki,
skupiając się przede wszystkim na związkach miedzi, gdyż istnieją
silne naukowe przesłanki o wysokiej fotoaktywności tlenku miedzi,
a przy tym są to związki powszechnie dostępne, tanie
oraz o niskiej toksyczności zarówno dla człowieka
jak i wobec elementów środowiska naturalnego. Badaliśmy zatem
kompozyty tlenku miedzi(I) z tlenkiem miedzi(II), tlenku miedzi(II)
z jodkiem miedzi czy tlenku miedzi(II) z grafitowanym azotkiem
węgla. Opracowane kompozyty cechują się nie tylko dużą
wydajnością wytwarzania wodoru, ale także dzięki procesowi wzajemnej
wymiany ładunków są bardziej trwałe niż izolowane półprzewodniki.
Podczas aktu wzbudzenia ładunków w ziarnie materiał
fotokatodowego następuje silna separacja ładunków, elektrony
migrują w stronę jednego składnika kompozytu zaś
dziury w stronę drugiego. Dzięki takiemu zachowaniu badane
przez nas kompozyty półprzewodnikowe wykazują efekt samo-ochronny
a nawet samo-regeneracyjny. Dzięki temu są stabilne i w
sposób trwały i jednorodny mogą produkować wodór.
Tak interesujące właściwości zostały potwierdzone dzięki wykorzystaniu
bardzo zaawansowanych metod naukowych, a przede wszystkim metod
synchrotronowych (technika XAS), które pozwoliły nam „na żywo” obserwować
przepływ ładunków w ziarnie półprzewodnika podczas pracy.
Badania te prowadziliśmy w Europejskim Ośrodku Synchrotronu
Atomowego w Grenoble we Francji.

Podsumowując należy stwierdzić, iż w udało się zrobić
krok w stronę otrzymania materiałów do wytwarzania
fotokatod o podwyższonej stabilności i trwałości.
W dalszym ciągu jednak trwają prace nad intensyfikacją procesu
wytwarzania wodoru i eliminacją niekorzystnych współ procesów takich
jak rekombinacja ładunków. Osiągnięcie sukcesu w założonych
badaniach pozwoli nam rozpocząć badania rozwojowe i prace zmierzające
do wdrożenia.

Więcej o naszych badaniach można poczytać w opublikowanych
przez nas artykułach w czasopismach specjalistycznych:

• Tomasz Baran, Szymon Wojtyła, et al., An Efficient Cux O Photocathode
  for Hydrogen Production at Neutral pH: New Insights from Combined Spectroscopy
  and electrochemistry, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2016, 8 (33), pp 21250-21260
  (https://pubs.acs.org/doi/abs/10. 1021/acsami. 6b03345)
• Szymon Wojtyła, Konrad Szmit, Tomasz Baran, Type II Heterostructures: The Way
  Towards Improved Photoelectrochemical Activity of Graphitic Carbon Nitride, J.
  Inorg. Organomet. Polym. 2018, 28, 492-499
  (https://link.springer.com/article/10. 1007/s10904-017-0733-3)
• Tomasz Baran, Alber to Visibile, Szymon Wojtyła, et al., Reverse
  type I core – Cu I /shell – Cu O: A versatile
  heterostructure for photoelectrochemical applications, Electrochim. Acta. 2018,
  266, 441-451(https://doi.org/10. 1016/j.electacta. 2018. 02. 023)