Z dr Ewą Wierzbicką z Wydziału Nowych Technologii i Chemii Wojskowej Akademii Technicznej, autorką artykułu „Ultra-stable self-standing Au nanowires/TiO2 nanoporous membrane system for high-performance photoelectrochemical water splitting cells”, opublikowanego w prestiżowym czasopiśmie „Materials Horizons”, rozmawia Marcin Wrzos.
Jaką wagę mają badania opisane w artykule?
Wyniki naszej pracy dotykają niezwykle istotnego zagadnienia, jakim jest znalezienie rozwiązań umożliwiających produkcję wodoru w sposób ekologiczny. Biorąc pod uwagę politykę Unii Europejskiej, oraz dynamiczny rozwój nowych gałęzi przemysłu opartego na technologiach wodorowych, zapotrzebowanie na wodór będzie szybko wzrastać. Nasze prace dotyczą syntezy i badania właściwości nowych materiałów, które mogą znaleźć zastosowanie w produkcji wodoru z wody pod wpływem światła, co jest obiecującą alternatywą dla obecnie stosowanych metod pozyskiwania tego nośnika energii.
Zielony wodór może przyśpieszyć rewolucję energetyczną?
Naukowcy i przemysł są na etapie poszukiwania różnych rozwiązań technologicznych umożliwiających wydajną produkcję wodoru. Jedną z testowanych możliwości jest produkcja z wykorzystaniem procesu fotoelektrochemicznego rozkładu wody. Są to jednak badania podstawowe, dalekie jeszcze od aplikacji w przemyśle. Sądzę, że temat jest zdecydowanie warty dalszej eksploracji, aczkolwiek musimy się liczyć z tym, że czeka nas jeszcze wiele pracy zanim ta technologia zacznie działać na tyle wydajnie, aby mówić o wymiernych korzyściach dla społeczeństwa.
Jako pomysłodawca publikacji otrzymała Pani wyróżnienie „Emerging Investigator”, które przyznawane jest młodym naukowcom. Na ile artykuł budzi zainteresowanie w świecie naukowym?
Nagroda dedykowana jest młodym naukowcom, którzy są autorami korespondencyjnymi publikacji, co jest równoznaczne z odpowiedzialnością za kierunek prowadzonych badań i całokształt powstałej pracy. Laureaci tego wyróżnienia to badacze, których prace proponują nową koncepcję lub nowy sposób myślenia, a nie tylko modyfikację czy ulepszenie wcześniejszych pomysłów. Tym bardziej się cieszę, że moja praca została doceniona w taki sposób.
Artykuł cieszy się dość dużą popularnością. Nasza praca uzyskała drugą nagrodę w rankingu najlepszych publikacji, które ukazały się w 2022 roku w czasopiśmie „Materials Horizons”, tzw. „2022 Materials Horizons Outstanding Paper Award”. Bardziej wymiernym wskaźnikiem popularności publikacji wśród naukowców jest liczba cytacji dokonanych przez innych autorów w ich pracach. Na ten wynik będziemy jednak musieli kilka lat poczekać.
Jak doszło do podjęcia badań?
Badania zainicjowane zostały podczas mojego pobytu na stypendium Humboldta na Uniwersytecie Humboldtów w Berlinie, natomiast ukończone po rozpoczęciu mojej pracy w Wojskowej Akademii Technicznej. W Niemczech pracowałam w grupie Materiałów Funkcjonalnych, natomiast część badań była wykonywana w Instytucie Fizyki HU Berlin. Po moim powrocie do Polski, do projektu włączyli się również członkowie grupy Elektrochemii Uniwersytetu Jagiellońskiego, gdzie obroniłam doktorat. Wszyscy współautorzy to specjaliści posiadający ogromną wiedzę na temat wykonywanych pomiarów, dlatego współpraca przebiegała bardzo dobrze, co miało bezpośrednie przełożenie na efekty tego projektu.
Co chciała Pani osiągnąć podejmując badania?
Celem badań było otrzymanie materiału fotoelektrokatalizatora wykorzystywanego do rozkładu wody. Pomysł opierał się na uzyskaniu materiału o ściśle określonej architekturze w nanoskali. Wykorzystaliśmy dwie metody syntezy, czyli anodyzację w celu uzyskania nanoporowatych struktur TiO2 oraz elektroosadzanie złota w porach tego tlenku w celu utworzenia warstwy nanodrutów. Oryginalnym pomysłem było utworzenie nanoporowatej membrany TiO2 wypełnionej nanodrutami ze złota, odłączonej od podłoża tytanowego, a także wykorzystanie tych nanodrutów jako kolektora fotowzbudzonych elektronów do rozdziału i szybkiego transportu ładunków elektrycznych. Uzyskanie takich materiałów jest już samo w sobie znacznym osiągnięciem, natomiast największym sukcesem okazało się uzyskanie bardzo dobrej wydajności fotoelektrokatalitycznego rozkładu wody w odniesieniu do obecnego stanu wiedzy na ten temat.
Na czym w praktyce polega opisana w artykule metoda pozyskiwania wodoru?
Wytwarzane materiały są fotoelektrokatalizatorami, czyli materiałami mającymi zdolność do absorpcji światła i przetwarzania tej energii do wytworzenia wiązań chemicznych – w tym przypadku rozkładu wody z wytworzeniem gazowego wodoru i tlenu. W trakcie tego procesu generowane są tzw. fotoprądy, które świadczą o przepływie ładunków pomiędzy elektrodami, na których dochodzi do wydzielenia odpowiednio tlenu i wodoru. W przeciwieństwie do typowej elektrolizy, gdzie proces napędzany jest przez przyłożone zewnętrzne napięcie o relatywnie wysokim potencjale, w badanej metodzie niewielkie napięcie zewnętrzne służy do ukierunkowania przepływu ładunków, wymuszenia przepływu elektronów i dziur do powierzchni przeciwnych elektrod, a główną siłą napędową procesu jest tu energia słoneczna. Innymi słowy – w porównaniu do komercyjnie stosowanego procesu elektrolizy – w badanej przeze mnie metodzie zapotrzebowanie na energię elektryczną, która musi zostać dostarczona do układu jest znacznie mniejsze dzięki wykorzystaniu energii słonecznej, co z ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia jest bardzo korzystne.
Na czym polegała innowacyjność nowej metody?
O ile badania na temat materiałów o właściwościach fotoeletrokatalitycznych są obecnie dość popularne, innowacyjność prowadzonych przeze mnie badań przejawia się wykorzystaniu w tym celu wytworzonych po raz pierwszy membran z nanoporowatego tlenku tytanu wypełnionych złotymi nanodrutami. Nowatorskie jest nie tylko połączenie znanych technik anodyzacji i elektroosadzania do wytworzenia tych materiałów, ale także zaprojektowanie morfologii powierzchni, która pozwala poprawić wydajność wydzielania wodoru.
Na ile pozyskiwanie wodoru w ten sposób będzie ekologiczne?
Fotoelektrochemiczne oraz fotokatalityczne wydzielanie wodoru (czyli bez przyłożenia zewnętrznego napięcia), to – w idealnych warunkach – jedne z najbardziej ekologicznych metod pozyskiwania wodoru. Teoretycznie są to metody o blisko zerowej (fotoelektrokataliza) lub zerowej (fotokataliza) emisji dwutlenku węgla do atmosfery, a co więcej prawie bezkosztowe lub bezkosztowe, gdyż bazują na wykorzystaniu energii słonecznej. Niestety nadal mierzymy się nie tylko z problemami związanymi ze zwiększeniem wydajności produkcji wodoru, stabilnością materiałów fotoaktywnych, ale również z wieloma innymi aspektami technologicznymi procesu dotyczącymi pracy całego układu. Nie ukrywam, że do wdrożenia tej metody jest jeszcze bardzo daleka droga. Niemniej jednak wierzę, że dzięki niestrudzonej pracy naukowców z całego świata uda się nam rozwiązać te trudności, aby umożliwić wydajne i ekologiczne wytwarzanie wodoru przy pomocy światła słonecznego.
Czy zamierza Pani kontynuować prace nad pozyskiwaniem wodoru?
Obecnie kieruję projektem badawczym finansowanym przez Narodową Agencję Wymiany Akademickiej (NAWA), w ramach programu Polskie Powroty. Wyniki przedstawione w publikacji to efekt pierwszego etapu mojego projektu i to na nich bazuje cały rozbudowany koncept dalszych planowanych badań. Będzie on polegał na łączeniu różnych metod syntezy, w celu uzyskania materiałów o odpowiedniej architekturze i wytworzeniu heterozłącz o dużej powierzchni. W efekcie prowadzić ma to do osiągnięcia zwiększonej wydajności procesu wytwarzania wodoru. Chcemy również rozpocząć badania w kierunku fotokatalizy, czyli metody pokrewnej, niewymagającej przyłożenia zewnętrznego napięcia, lecz wykorzystującej wyłącznie światło słoneczne jako jedyne źródło energii napędzającej proces wydzielania wodoru.
Wyniki badań ukazały się w czasopiśmie „Materials Horizons” w artykule pod tytułem: „Ultra-stable self-standing Au nanowires/TiO2 nanoporous membrane system for high-performance photoelectrochemical water splitting cells”. Współautorami artykułu spoza WAT są: dr Thorsten Schultz, dr Karolina Syrek, prof. dr hab. Grzegorz Dariusz Sulka, prof. dr Norbert Koch oraz prof. dr Nicola Pinna.
Artykuł otrzymał 200 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 15.717.
*****
Dr Ewa Wierzbicka w Wojskowej Akademii Technicznej kieruje projektem badawczym finansowanym przez Narodową Agencję Wymiany Akademickiej, w ramach programu Polskie Powroty. Jej obecne badania koncentrują się głównie na różnych metodach syntezy nanostrukturalnego TiO2 w formie nanoproszków lub anodowych warstw nanoporowatych oraz ich modyfikacji poprzez domieszkowanie metalami, tworzenie struktur rdzeniowo-powłokowych przez osadzanie warstw atomowych innych półprzewodników lub redukcję powierzchni.
Dr Ewa Wierzbicka ukończyła studia chemiczne na Uniwersytecie Jagiellońskim w Krakowie, uzyskując w 2016 roku tytuł doktora. Jej praca doktorska dotyczyła zastosowania otrzymanego nanostrukturalnego złota jako potencjalnego elektrochemicznego sensora adrenaliny. W 2017 roku rozpoczęła staż podoktorski na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Metalurgii Uniwersytetu Complutense w Madrycie w ramach międzynarodowego projektu o akronimie ALMAGIC. Projekt był finansowany przez Komisję Europejską w ramach programu Clean Sky 2, Horizon 2020. Koncentrował się na wytworzeniu innowacyjnych alternatyw dla powłok antykorozyjnych na bazie chromu (VI) dla stopów aluminium i magnezu wykorzystywanych w przemyśle lotniczym. Następnie pracowała na Uniwersytecie Fryderyka Aleksandra w Erlangen i Norymberdze w Niemczech, gdzie na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Materiałoznawstwa realizowała badania w zakresie fotokatalizy, głównie wydzielania H2 na TiO2. Po uzyskaniu stypendium badawczego im. Aleksandra von Humboldta kontynuowała pracę nad syntezą materiałów do zastosowania w fotoelektrokatalizie na Uniwersytecie Humboldtów w Berlinie.
