Czy opracowana na Politechnice Krakowskiej nowatorska substancja chemiczna, aktywowana zwykłym światłem, rozwiąże problem zanieczyszczonej chemikaliami wody? Odpowiedź przyniosą badania międzynarodowego zespołu naukowców zajmujących się grafitowym azotkiem węgla.
Badacze z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej prowadzą prace nad wykorzystaniem grafitowego azotku węgla jako foto- i elektrokatalizatora zdolnego do przyśpieszania procesów degradacji organicznych zanieczyszczeń wody. Nowa substancja może się też okazać przydatna do produkcji wodoru, wykorzystywanego później jako czyste źródło energii. Badania te wpisują się w poszukiwania skutecznych sposobów rozwiązania kryzysu energetycznego i wspierania ochrony środowiska.
– Koncentrujemy się na opracowywaniu zaawansowanych materiałów, które przyczyniają się do degradacji zanieczyszczeń wody oraz wspomagają konwersję energii odnawialnej np. energii słonecznej. Obecnie w kręgu naszych zainteresowań jest katalizator zdolny do rozkładania organicznych zanieczyszczeń, np. pochodzących ze ścieków przemysłowych i komunalnych. Badamy też jego właściwości pod kątem możliwości wpływania na proces produkcji wodoru – wyjaśnia 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) – tłumaczy prof. Matras-Postołek.
Jak dodaje, 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”.
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 Chin, kierująca projektem finansowanym z programu POLONEZ BIS.
Słońce 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 były właśnie fotokatalizatory, 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 badania potwierdzają jego wysoką aktywność. Ma jednak istotne wady. Jest aktywny tylko w promieniowaniu UV, wykazując znikomą aktywność w zakresie fal widzialnych.
Pomyśleliśmy o opracowaniu katalizatora, będącego materiałem zdolnym do rozkładania zanieczyszczeń również pod wpływem widzialnego światła słonecznego. Dzięki temu sam proces będzie jeszcze bardziej ekonomiczny – zapewnia prof. Katarzyna Matras-Postołek.
Pod lupę wzięto grafitowy azotek węgla (g-C3N4). Badania prowadzone są w kierunku stabilnego materiału półprzewodnikowego, złożonego z pierwiastków węgla i azotu, o różnych właściwościach, do budowy materiałów kompozytowych o ulepszonych cechach foto-i elektrochemicznych. Naukowcy analizują, w jaki sposób działanie takiego katalizatora, aktywowanego światłem słonecznym, sprawdzi się m.in. przy oczyszczaniu ścieków przemysłowych, np. z zakładów produkujących tekstylia, kolorowy papier, barwiących skóry czy przy oczyszczaniu ścieków komunalnych, zawierających organiczne barwniki. Ilość takich zanieczyszczeń rośnie, bo wzrasta zapotrzebowanie na barwione produkty, a co za tym idzie – także ilość substancji chemicznych wykorzystywanych do barwienia. Ostatecznie mogą one trafiać do środowiska, zatruwając je i powodując poważne zagrożenia także dla ludzkiego zdrowia.
W badaniach 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 – zdradza prof. Matras-Popiołek.
Badania wstępne potwierdziły możliwość wykorzystania tego typu materiałów w rozkładzie standardowych barwników, jak oranż metylowy, błękit metylenowy czy rodamina B.
Potwierdziliśmy też, że istnieje możliwość poprawy właściwości opracowanych przez nas nowych materiałów poprzez zmianę sposobu syntezy czy domieszkowanie atomami metali lub niemetali. W kolejnym etapie prac 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 – wskazuje prof. Matras-Postołek.
MK, źródło: PK