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. 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 dr hab. inż. 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 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.
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.
