Naukowcy z UJ opracowują hybrydowe fotokatalizatory półprzewodnikowe do redukcji CO2

• Strona główna
• Artykuły
• Naukowcy z UJ opracowują hybrydowe fotokatalizatory półprzewodnikowe do redukcji CO2

2013-05-17

Projekt jest współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka. Jego celem jest uzyskanie fotokatalizatorów półprzewodnikowych aktywnych w świetle widzialnym zdolnych do redukcji CO₂ na drodze fotoredukcji do związków C1 jak i bardziej złożonych związków organicznych oraz biomimetycznych procesów angażujących reakcje enzymatyczne.

Światło słoneczne jest najbardziej rozpowszechnionym i uniwersalnym źródłem energii dostępnym na Ziemi, w związku z czym wielu naukowców rozważa wykorzystanie go w procesach wytwarzania paliw, jako najlepszego rozwiązania pozwalającego otrzymywać czystą i całkowicie bezpieczną energię w przyszłości. Spośród zasilanych energią słoneczną procesów, do najbardziej obiecujących należy rozkład wody z utworzeniem wodoru oraz redukcja CO₂. Osobną alternatywą są krzemowe ogniwa fotowoltaiczne lub ogniwa Gratzela.

Dwutlenek węgla jest aktualnie jednym ze „złych aktorów” na scenie politycznej, gospodarczej i środowiskowej świata. Od początku rewolucji przemysłowej, gdy wzrosło zużycie paliw, stężenie CO₂ w powietrzu systematycznie rośnie. Emisja dwutlenku węgla wzrosła w ostatnich 40 latach z 21 do 30 gigaton, a stężenie tego gazu w powietrzu szacowane jest na około 440 ppm. Aktualnie, intensywnie badany jest wpływ zwiększonego stężenia CO₂ na atmosferę, jak również prowadzone są prace ograniczające emisję CO₂.

Rządy wielu krajów pokładają nadzieję i inwestują środki w rozwój wolnych od emisji dwutlenku węgla źródeł, takich jak elektrownie jądrowe, wykorzystanie energii słonecznej, wiatrowej czy geotermalnej. Powstają liczne inicjatywy badań mających na celu rozwój technologii czystych paliw, inteligentnych sieci energetycznych czy wykorzystania biopaliw. Jest to szczególnie istotne również ze względu na wyczerpujące się zasoby paliw kopalnych, stanowiących główne źródło energii i surowców na świecie.

Wykorzystanie dwutlenku węgla w innowacyjnych procesach, takich jak fotochemiczna redukcja może przyczynić się do zmniejszenia jego immisji, a zarazem otworzyć drogę do syntezy zarówno czystych paliw, jak i zaawansowanych związków organicznych. Natura podaje rośliny jako przykład konwersji CO₂ do wysokoenergetycznych molekuł, używając światła słonecznego jako źródła energii. Tym procesem jest fotosynteza, jeden z kluczowych i najlepiej przebadanych, ale wciąż fascynujących procesów zachodzących w przyrodzie.

Powtórzenie procesu fotosyntezy w warunkach laboratoryjnych, a następnie transfer do skali przemysłowej będzie rozwiązaniem dwóch problemów, z którymi musi zmierzyć się ludzkość w bliskiej przyszłości: problemu rosnącego stężenia CO₂ w atmosferze oraz problemu braku paliw i surowców do przemysłowych syntez organicznych.

Pomysł sztucznej fotosyntezy powstał wiele lat temu, lecz wówczas wydawał się abstrakcyjny. Dzisiaj natomiast pomysł ten staje się rzeczywistością. Chemicy znają narzędzia pozwalające naśladować proces fotosyntezy. Najbardziej obiecujące wydają się być metody oparte na fotokatalizie (fotokataliza homo- i heterogeniczna). Fotokatalizatory heterogeniczne to najczęściej materiały oparte na półprzewodnikach. Absorpcja kwantów światła o energii równej szerokości pasma wzbronionego lub większej prowadzi do wygenerowania elektronu i dziury odpowiednio w paśmie przewodnictwa (CB) i walencyjnym (VB). Ładunki te mogą migrować w obrębie kryształu półprzewodnika, a w pobliżu jego powierzchni mogą być pułapkowane, tworząc reaktywne centra. Wygenerowane reaktywne powierzchniowe centra uczestniczą w procesach międzyfazowego przeniesienia elektronu z udziałem zaadsorbowanych na powierzchni fotokatalizatora akceptora A i donora D. Kolejne reakcje pierwotnych produktów redukcji i utleniania, A–• i D+• prowadzą do powstania trwałych produktów Ared i Dox. Z kolei fotokataliza homogeniczna wykorzystuje zjawisko absorpcji światła przez molekuły związków koordynacyjnych, metaloorganicznych i innych tworzących układy homogeniczne.

Fotoredukcja ditlenku węgla jest jedną z najważniejszych reakcji zmierzających do konwersji energii słonecznej na chemiczną. Pierwsze doniesienia na temat heterogenicznej reakcji fotokatalitycznej z wykorzystaniem półprzewodników takich jak TiO₂, SrTiO₃ czy SiC pochodzą sprzed kilkudziesięciu lat.

Wzbudzenie ultrafioletem takich szerokopasmowych półprzewodników prowadziło do otrzymania metanu czy metanolu jako głównych produktów redukcji ditlenku węgla. Dekady badań w kierunku fotosensybilizacji półprzewodników na zakres światła widzialnego oraz modyfikacje mające na celu zwiększenie wydajności i selektywności reakcji przynoszą bardzo obiecujące wyniki, a uzyskiwane produkty mogą być użyte jako trwałe i łatwe w transporcie wysokoenergetycznych paliw i surowców do wielu przemysłowych syntez chemicznych.

Tomasz Baran, kierownik projektu

Więcej o realizowanym na Wydziale Chemii UJ projekcie na stronie: http://http://www.photons.com.pl/

dwutlenek węglabadania i rozwójfotosyntza