Polska naukowczyni na tropie tańszej i bardziej ekologicznej energii

- W moim projekcie badawczym chodzi o stworzenie bardziej efektywnych i trwałych materiałów, które mogą poprawić wydajność i opłacalność produkcji zielonej energii - mówi Klaudia Zielinkiewicz. 27-latka z Chojny otrzymała właśnie naukowy grant na badania, które mogą zrewolucjonizować sposób pozyskiwania energii z wody.

Klaudia Zielinkiewicz, doktorantka Zachodniopomorskiego Uniwersytetu Technologicznego, na początku grudnia znalazła się w gronie trojga młodych naukowców ze swojej uczelni, którzy zdobyli prestiżowe dofinansowanie Narodowego Centrum Nauki - Preludium 23.

- To unikatowy konkurs, który umożliwia początkującym naukowcom zdobycie doświadczenia w samodzielnym prowadzeniu badań jeszcze przed uzyskaniem stopnia doktora. To wyjątkowa okazja, by na wczesnym etapie kariery realizować projekty badawcze bez konieczności rywalizacji z bardziej doświadczonymi kolegami po fachu. Ważnym elementem w tej formule jest zaangażowanie opiekuna naukowego, który wspiera młodego badacza w realizacji projektu – informuje Wydział Technologii i Inżynierii Chemicznej ZUT Szczecin.

Z tematem elektrochemii Klaudia Zielinkiewicz jest związana w swoim przewodzie doktorskim. Doktorat realizuje w katedrze fizykochemii nanomateriałów.

- Moja promotorka, prof. Ewa Mijowska, jest ekspertką od nanorurek. To bardzo ceniona naukowczyni, co również było ważne w konkursie – mówi.

W konkursie można było uzyskać grant w wysokości do 210 000 zł. Klaudia Zielinkiewicz, na realizację swojego projektu badawczego otrzymała 208 498 zł, a więc niemal maksymalną kwotę dofinansowania. Jej badania mogą bowiem przynieść wiele korzyści.

- W projekcie skoncentruję się na opracowaniu nowatorskich elektrokatalizatorów do procesu rozszczepienia wody na wodór i tlen. Katalizator to substancja, która przyspiesza reakcję chemiczną, ale nie zużywa się podczas jej przebiegu. W projekcie badawczym chodzi o stworzenie bardziej efektywnych i trwałych materiałów, które mogą poprawić wydajność i opłacalność produkcji zielonej energii. Oparty jest na wykorzystaniu nanorurek węglowych jako katalizatorów, co może zrewolucjonizować sposób pozyskiwania energii z wody – mówi Klaudia Zielinkiewicz.

Nanorurki węglowe (SWCNTs), kontynuuje nasza rozmówczyni, są doskonałym kandydatem jako materiał elektrokatalityczny ze względu na swoje unikalne właściwości takie jak: wysoka wytrzymałość mechaniczna, duży współczynnik kształtu, duża powierzchnia, znakomite właściwości optyczne, wysoka przewodność cieplna oraz przewodnictwo elektryczne.

Klaudia Zielinkiewicz dodaje, że w obliczu rosnących wyzwań związanych z ochroną środowiska i zapewnieniem zrównoważonego rozwoju, znalezienie alternatywy dla paliw kopalnych stało się jednym z najważniejszych celów współczesnej nauki i technologii.

– Istnieje kilka kluczowych powodów, dla których jest to niezbędne: paliwa kopalne, takie jak węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny, są głównym źródłem emisji dwutlenku węgla (CO₂) i innych gazów cieplarnianych, które przyczyniają się do globalnego ocieplenia, spalanie paliw kopalnych prowadzi do zanieczyszczenia powietrza, wody i gleb oraz fakt, że są zasobami nieodnawialnymi, oznacza, że ich rezerwy na Ziemi są ograniczone – komentuje młoda naukowczyni.

Badania wpisują się w globalny projekt zastąpienia paliw kopalnych odnawialnymi źródłami energii i poznaniem nowych, efektywnych metod pozyskiwania energii. Jedną z obiecujących alternatyw jest właśnie elektrochemiczne rozszczepienie wody.

- To proces, w którym pod wpływem przyłożonego prądu elektrycznego, cząsteczki wody ulegają rozkładowi, generując wodór i tlen w procesach znanych jako reakcja wydzielania wodoru (HER) i reakcja wydzielania tlenu (OER). Jednakże, zastosowanie tego procesu na szeroką skalę jest ograniczone przez powolną kinetykę (szybkość) reakcji OER, która jest złożonym procesem wymagającym transferu czterech elektronów – tłumaczy 27-letnia chojnianka.

Mimo że elektrochemiczny rozkład wody znany jest już od XIX wieku, reakcja wydzielania tlenu (OER), czyli reakcja anodowa elektrolizerów wody, nadal pozostaje zagadką a jej mechanizm wciąż nie jest do końca poznany.

- Widać to na poniższym rysunku. William Nicholson i Anthony Carlisle obserwują elektrolizę wody. Wzięto pionowo zamontowaną, uszczelnioną rurkę wypełnioną wodą, z platynowymi przewodami włożonymi na obu końcach, każdy podłączony do zacisku ogniwa galwanicznego. Gdy końcówki przewodów powoli zbliżano do siebie, z każdej końcówki wydobywał się strumień bąbelków. Jedna grupa bąbelków została zidentyfikowana jako tlen, a druga jako wodór. Po prawej stronie schemat elektrolizera wody pokazuje, że na elektrodzie anodowej (przedstawionej jako szare kule) woda ulega utlenianiu, aby wytworzyć tlen, podczas gdy na elektrodzie katodowej (przedstawionej jako zielone kule) wytwarzany jest wodór - odczytuje doktorantka szczecińskiego ZUT.

Dużym ograniczeniem w zastosowaniu tego procesu na szeroką skalę są obecnie stosowane elektrokatalizatory złożone z drogich i rzadkich metali szlachetnych, związków wymagających sporej energii, aby zainicjować reakcje oraz charakteryzujących się niską stabilnością w agresywnych warunkach.

- Końcowy wynik projektu umożliwi zaprojektowanie wydajnych elektrokatalizatorów węglowych do elektrochemicznego rozkładu wody, dzięki czemu wodór jako nośnik energii będzie bardziej dostępny i zrównoważony – tłumaczy Klaudia Zielinkiewicz.

Ewentualna droga do wykorzystania tych rozwiązań na skalę masową jest jednak długa.

- Konkurs Preludium ma na celu wsparcie badań podstawowych. Ich celem jest finansowanie projektów, które przyczyniają się do rozwoju wiedzy podstawowej w danej dziedzinie nauki i dać odpowiedzi na pytania badawcze. Jest to jakaś cegiełka w poszukiwaniu odpowiedzi na problem globalny. Jeśli wyjdzie coś w skali laboratoryjnej, to dopiero wtedy technologia i inżynieria chemiczna przenosi to na masową skalę – odpowiada 27-letnia doktorantka, jeszcze raz akcentując jedno z głównych założeń projektu.

Jest nim, aby opisane działania i charakterystyka doprowadziły do ustalenia jaki mechanizm odpowiada za reakcję.

- Wtedy można dopracowywać inne materiały, tak aby spełniały warunki potrzebne do zajścia tego mechanizmu oraz odkryje rolę węgla w tym procesie. Efektem będzie zaprojektowanie nowych materiałów katalitycznych, które zastąpią drogie i rzadkie metale szlachetne obecnie wykorzystywane w komercyjnych elektrolizerach – wyjaśnia Klaudia Zielinkiewicz.

Projekt będzie trwał trzy najbliższe lata.