Procesy fotokatalityczne – alternatywa dla tradycyjnych metod produkcji wodoru

Rozmowa z panią dr hab. inż. Iwoną Pełech, prof. ZUT

Jaka idea przyświecała rozpoczęciu badań nad realizowanym projektem?

Od wielu lat pracownicy Katedry Technologii Chemicznej Nieorganicznej i Inżynierii Środowiska Wydziału Technologii i Inżynierii Chemicznej Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego w Szczecinie z sukcesami zajmują się szeroko rozumianymi procesami katalitycznymi. W obliczu wymogów stawianych przez Unię Europejską związanych z ograniczeniami emisji ditlenku węgla, należy poszukiwać sposobów które zminimalizują emisję tego gazu. Najwięcej CO₂ generuje przemysł energetyczny, chemiczny oraz transport, gdzie jako źródło energii wykorzystywane są paliwa kopalne. W tych też obszarach interesującą alternatywą wydaje się być otrzymywanie wodoru jako magazynu energii, w procesach wykorzystujących źródła energii odnawialnej i w których nie mamy do czynienia z emisją CO₂. Jednym z tego typu rozwiązań jest otrzymywanie wodoru w procesie fotokatalitycznego rozkładu wody przy udziale światła słonecznego. Proces ten stanowi jednocześnie etap fotokatalitycznej redukcji CO₂ podczas której, można uzyskać wodór, metan, czy inne użyteczne związki.

Jakim założonym celom służy realizacja projektu?

Otrzymywanie wodoru w procesach fotokatalitycznych z pewnością stanowi atrakcyjną alternatywę do tradycyjnych metod jego produkcji, ze względu na wykorzystanie odnawialnych źródeł energii oraz brak emisji ditlenku węgla. Jednakże główną przeszkodą ograniczającą otrzymywanie wodoru w procesie fotokatalizy jest fakt, że ditlenek tytanu absorbuje prawie wyłącznie promieniowanie z zakresu UV, czyli promieniowanie słoneczne jest wykorzystywane jedynie w niewielkim stopniu. Celem projektu jest zwiększenie aktywności ditlenku tytanu w świetle UV oraz jego aktywacja pod wpływem światła widzialnego poprzez domieszkowanie ditlenku tytanu metalami/niemetalami. Celem inicjatywy jest również wzmacnianie stosunków dwustronnych, zacieśnianie współpracy oraz pogłębianie wzajemnej wiedzy pomiędzy partnerami projektu w obszarze zielonej transformacji, czyli transformacji niezbędnej do sprostania zmianom klimatycznym i wyzwaniom środowiskowym.

Na czym polegają procesy, które są przedmiotem badań w realizowanym projekcie?

Tak jak wspomniałam, do produkcji wodoru można wykorzystać zjawisko fotokatalizy. Fotokataliza jest procesem chemicznym, polegającym na zmianie szybkości reakcji chemicznej z udziałem światła w obecności substancji zwanej  fotokatalizatorem. Cechą odróżniającą katalizę tradycyjną od fotokatalizy jest przede wszystkim fakt, iż w pierwszym przypadku mamy do czynienia z termiczną aktywacją katalizatora, natomiast w drugim aktywacja katalizatora odbywa się za pomocą kwantów promieniowania, zwanych fotonami, charakteryzujących się odpowiednią długością fali.

Skąd pomysł na wykorzystanie ditlenku tytanu jako fotokatalizatora w procesie fotokatalizy?

W procesie fotokatalizy wykorzystuje się rożnego typu związki, na przykład: siarczek cynku i kadmu, selenek kadmu, tlenek wanadu(III), tlenek cynku czy tlenek tytanu(IV). Ten ostatni jest jednym z najczęściej stosowanych fotokatalizatorów ze względu na wysoką aktywność oraz właściwości fizykochemiczne jakie posiada. Jest on tani, nietoksyczny, odporny chemicznie i stosunkowo łatwy w obróbce. Z tego względu wykorzystywany jest do degradacji zanieczyszczeń w fazie gazowej oraz ciekłej, w powierzchniach samoczyszczących czy w procesie fotorozkładu wody. Wadą ditlenku tytanu jest to, iż absorbuje on prawie wyłącznie promieniowanie z zakresu UV, które stanowi około 3-4 % promieniowania słonecznego będącego źródłem energii w procesach fotokatalitycznych, co ogranicza zastosowanie TiO₂ w postaci niezmodyfikowanej. Istnieje kilka metod mających na celu aktywowanie TiO₂ światłem widzialnym, w tym jego domieszkowanie. W ramach projektu, otrzymany zostanie ditlenek tytanu domieszkowany metalami/niemetalami co potencjalnie umożliwi jego aktywację pod wpływem światła widzialnego lub pozwoli na zwiększenie aktywności w świetle UV.

Czemu służyć ma proces pozyskiwania wodoru za pomocą fotokatalizy?

Wodór jest szeroko stosowanym surowcem chemicznym. Stosuje się go w dużych ilościach w procesie syntezy amoniaku, procesach rafineryjnych oraz w wielu innych procesach chemicznych i metalurgicznych. W wodorze dostrzega się również potencjał jako bezemisyjnego paliwa np. do pojazdów samochodowych. Obecnie praktycznie cały wodór produkowany jest z surowców węglowodorowych np. z metanu i wyższych węglowodorów lub z węgla w tzw. procesach konwersji z parą wodną. W trakcie wytwarzania wodoru powstaje produkt uboczny w postaci dwutlenku węgla. Uważa się go za gaz cieplarniany, przez co tak pozyskiwany wodór jest uznawany za nieekologiczny. Badania nad fotokatalizatorami wykorzystywanymi w procesie pozyskiwania wodoru z użyciem energii słonecznej wpisują się nie tylko w strategię pozyskiwania tego ważnego surowca, ale również w strategię ograniczenia emisji dwutlenku węgla.

Jak wyniki badań mogą przysłużyć się rozwojowi gałęzi paliw ekologicznych?

Paliwami ekologicznymi są paliwa przy produkcji których wykorzystywane są odnawialne źródła energii, a ich produkcja nie przyczynia się do degradacji środowiska naturalnego. Odnawialne źródła energii obejmują energię: wiatru, hydrotermalną, geotermalną czy aerotermalną. Niewyczerpanym źródłem energii jest również nasza najbliższa gwiazda, czyli Słońce. Niestety na dany obszar energia ta dociera okresowo, co związane jest z występowaniem pór dnia, a jej natężenie uzależnione jest również od pory roku i warunków atmosferycznych. Efektywne wykorzystanie energii słonecznej jest możliwe wówczas, kiedy jest ona zmagazynowana w nośnikach energii, z których najbardziej obiecującym wydaje się być wodór produkowany właśnie przy udziale promieniowania słonecznego. Tak zmagazynowaną energię można praktycznie wykorzystać w dowolnym momencie i przeznaczyć ją na dowolny cel. Wodór można również wykorzystać jako surowiec w syntezach chemicznych, co może przyczynić się do ograniczenia zużycia surowców kopalnych i emisji CO₂.

Jak wygląda perspektywa komercjalizacji badań?

Komercjalizacja tego typu badań zawsze pozostaje najtrudniejszy etapem, również w przypadku otrzymywania wodoru w procesach fotokatalitycznych sprawa nie przedstawia się inaczej. Pomimo, że wciąż trwają intensywne badania związane z procesem fotokatalitycznego rozkładu wody, czy też procesem fotoredukcji ditlenku węgla, to jednak obecnie otrzymywane wydajności wodoru nie są wystarczające jeżeli chodzi o jego zastosowanie na skalę przemysłową. Dlatego też prowadzone są tak liczne badania nad poprawą aktywności fotokatalizatorów, a co za tym idzie nad poprawą wydajności produkcji wodoru.

Jakie jednostki, poza ZUT, biorą udział w projekcie?

W  inicjatywie Nr FWD-Green-3, zgłoszonej w Konkursie pt. „Synergiczne domieszkowanie ditlenku tytanu za pomocą metali i niemetali w celu wytworzenia wodoru w świetle UV i Vis” finansowanej ze środków Funduszu Współpracy Dwustronnej, „FWD”, Mechanizmu Finansowego Europejskiego Obszaru Gospodarczego 2014-2021 i Norweskiego Mechanizmu Finansowego 2014-2021 udział biorą partnerzy norwescy reprezentujący następujące ośrodki: University of South-Eastern Norway, SINTEF Industry, SINTEF Ocean. W ramach współpracy spotkanie z partnerami, w celu omówienia wyników prac, zaplanowane jest na połowę lutego 2024 roku.