You are currently viewing Badania nad mechanizmem reakcji elektrokatalitycznego uwalniania tlenu z wykorzystaniem układu międzyfazowego metal i jednościenne nanorurki węglowe

Badania nad mechanizmem reakcji elektrokatalitycznego uwalniania tlenu z wykorzystaniem układu międzyfazowego metal i jednościenne nanorurki węglowe

Kierownik projektu: mgr inż. Klaudia Zielinkiewicz

Konkurs: PRELUDIUM 23

Przyznana kwota: 208 498 PLN

Głównym celem projektu badawczego zatytułowanego: „Badania nad mechanizmem reakcji elektrokatalitycznego uwalniania tlenu z wykorzystaniem układu międzyfazowego metal i jednościenne nanorurki węglowe” ma na celu opracowanie i zrozumienie nowych, wydajnych elektrokatalizatorów, które mogłyby przyczynić się do przełomu w tej dziedzinie. Jednościenne nanorurki węglowe (SWCNTs) 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. Celem projektu jest szczegółowe zbadanie roli węgla i jego interakcji z katalizatorem metalicznym znajdującym się na jego zewnętrznej i wewnętrznej monoatomowej powierzchni w reakcji OER. Zbadany zostanie również wpływ wielkości domieszkowanego metalu na elektroaktywność katalizatora na bazie SWCNTs. Pozwoli to na opracowanie nowych materiałów katalitycznych opartych na węglu o ulepszonych parametrach elektrokatalitycznych.


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. Zastąpienie paliw kopalnych odnawialnymi źródłami energii sprawia, że naukowcy na całym świecie szukają nowych, efektywnych metod pozyskiwania energii. Jedną z obiecujących alternatyw jest


elektrochemiczne rozszczepienie wody, 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. 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. 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.

Badania będą obejmować projektowanie elektrokatalizatorów opartych na nanorurkach węglowych o jednej ścianie. Oznacza to, że będziemy mieć do czynienia z pojedynczą warstwą węgla o średnicy ok. 0.8-2.0 nm. Następnie będziemy ozdabiać zarówno jej ścianę zewnętrzną (funkcjonalizacja egzohedralna) jak i wewnętrzną (funkcjonalizacja endohedralna) aktywnymi cząstkami metali o różnej wielkości w celu poprawy ich właściwości katalitycznych. Otrzymane materiały zostaną zbadane przy użyciu zaawansowanych technik spektroskopowych, metod dyfrakcyjnych a także mikroskopowych. Przygotowane elektrokatalizatory będą testowane w reakcji elektrochemicznego uwalniania tlenu co pozwoli na zweryfikowanie ich praktycznego potencjału, ale co ważniejsze wykorzystanie najbardziej zaawansowanych technik charakterystyki pozwoli na ustalenie mechanizmu reakcji oraz odkrycie roli węgla.


Projekt ten oferuje innowacyjne i obiecujące rezultaty, gdyż endohedralna funkcjonalizacja SWCNTs prowadzi do bardziej wytrzymałego układu elektrokatalitycznego, gdyż jednowarstwowa walcowata struktura węglowa może złagodzić szybkie rozpuszczanie związków metali. Pojedyncza warstwa atomowa węgla zwiększy przewodność układu i ułatwi przenoszenie ładunku. Z kolei egzohedralna funkcjonalizacja SWCNTs
będzie skutkować większą stabilnością, szybszą reakcją oraz zwiększoną dynamiką ze względu na interfazę metal-elektrolit. Końcowy wynik projektu umożliwił zaprojektowanie wydajnych elektrokatalizatorów węglowych do elektrochemicznego rozkładu wody, dzięki czemu wodór jako nośnik energii będzie bardziej dostępny i zrównoważony.

Dodaj komentarz