Nanostrukturyzowana elektroda do elektrochemicznej syntezy wodoru z wody oparta na 2-wymiarowych wyspach azotku żelaza na miedzi

Skrócony opis Projektu

Elektrochemiczna reakcja rozpadu wody (WS) pozwala na uzyskiwanie czystego gazowego wodoru, który ma kluczowe znaczenie w tzw. zielonej transformacji energetycznej. Założone przez Unię Europejską uzyskanie pełnej neutralności klimatycznej w 2050 roku wymaga prowadzenia intensywnych badań naukowych oraz prac badawczo-rozwojowych mających na celu znalezienie skutecznych metod wytwarzania i magazynowania źródeł czystej energii, m.in. opracowania wydajnych katalizatorów reakcji WS. W toku badań podstawowych realizowanych w ramach kierowanego przez Prof. UAM dr. hab. Mikołaja Lewandowskiego projektu Fundacji na rzecz Nauki Polskiej FIRST TEAM wytworzono i szczegółowo scharakteryzowano nanostrukturyzowane układy składające się z 2-wymiarowych wysp azotku żelaza na powierzchni miedzi. Wykazano, że układ ten promuje dysocjację tlenu molekularnego i pary wodnej w temperaturze pokojowej, a powstałe w procesie atomy tlenu oraz grupy hydroksylowe mogą zostać wykorzystane do dalszych reakcji katalitycznych. Miedź jest jednym z obiecujących katalizatorów reakcji WS w roztworze zasadowym z uwagi na energetycznie korzystną adsorpcję wodoru na jej powierzchni. Problemem pozostaje jednak energetycznie niekorzystna dysocjacja wody na czystej miedzi. Z kolei azotki metali przejściowych efektywnie dysocjują wodę, ale charakteryzują się słabym wiązaniem wodoru. Hipoteza badawcza przedstawionego projektu Proof of Concept zakłada, że użycie katalizatora składającego się z miedzi i wysp azotku żelaza będzie skutkować wysoką aktywnością układu w reakcji WS. Zweryfikowanie postawionej hipotezy odbędzie się na drodze przeprowadzenia szeregu prac badawczo-rozwojowych ukierunkowanych na zastosowanie układu azotek żelaza/miedź w przemyśle. Punktem kulminacyjnym projektu będzie przeniesienie opracowanej technologii na w pełni skalowalny przemysłowo układ bazujący na wyspach azotku żelaza wytworzonych na polikrystalicznej folii miedzianej.

Zapotrzebowanie na rozwiązanie

Globalne ocieplenie stanowi jeden z kluczowych problemów, z którymi przyjdzie się zmierzyć ludzkości w ciągu najbliższych kilkudziesięciu lat, przyczyniając się do pożarów położonych na południowej półkuli obszarów Ziemi, topnienia lodowców i podniesienia poziomu wód, a także wzrostu ekspozycji planety na szkodliwe promieniowanie ultrafioletowe. Pierwszym krokiem w kierunku odbudowy warstwy ozonowej jest ograniczenie emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Jedna z kluczowych w tym kontekście strategii zakłada opracowanie wydajnych metod wytwarzania źródeł czystej energii, takich jak na przykład
wodór. Najprostszym sposobem pozyskiwania czystego wodoru wydaje się elektrochemiczna reakcja rozpadu wody. Opracowane do tej pory katalizatory reakcji są jednak stosunkowo mało wydajne, co uzasadnia prowadzenie dalszych prac badawczych w tym zakresie.

Przewaga konkurencyjna katalizatora opracowanego w ramach projektu nad innymi dostępnymi na rynku rozwiązaniami będzie polegała na tym, że będzie on się charakteryzował konkurencyjnymi parametrami w zakresie aktywności katalitycznej (gęstość prądu 10 mA/cm2 przy potencjale elektrochemicznym < 0.4 V), składając się jednocześnie wyłącznie z szeroko dostępnych na Ziemi pierwiastków, tj. azotu, żelaza i miedzi. Przełoży się to na niski
koszt jednostkowy katalizatora - nieporównywalnie mniejszy w stosunku do powszechnie stosowanych przemysłowo układów opartych na platynie, rutenie czy irydzie. Dodatkowo, wykorzystanie folii miedzianej jako podłoża pozwoli na dowolne skalowanie procesu wytwarzania układów azotek żelaza/miedź, a także oczyszczanie zużytych elektrod i tworzenie przy użyciu odzyskanego materiału nowych katalizatorów (lub też wykorzystanie miedzi do innych celów).

Odbiorcy wyników Projektu

Opracowana w ramach projektu elektroda będzie mogła znaleźć zastosowanie w generatorach wodoru. Bezpośrednimi odbiorcami wyników projektu będą więc firmy z branży elektrochemicznej, firmy zajmujące się alternatywnymi źródłami energii, wytwarzaniem i magazynowaniem wodoru, a także firmy z branży motoryzacyjnej.

Etapy Projektu

1. Wytworzenie 2-wymiarowych wysp azotku żelaza na monokrysztale miedzi i określenie metodami STM, LEED oraz XPS stabilności strukturalnej układu po ekspozycji na warunki normalne i roztwory chemiczne
2. Realizacja pomiarów CV, określenie wydajności katalizatora azotek żelaza/miedź w reakcjach HER i OER metodą GC, analiza struktury po poszczególnych etapach reakcji metodami STM, LEED oraz XPS
3. Określenie mechanizmów reakcji HER i OER na katalizatorach azotek żelaza/miedź z wykorzystaniem elektrochemicznego mikroskopu STM (we współpracy z grupą z Uniwersytetu Wrocławskiego)
4. Wytworzenie 2-wymiarowych wysp azotku żelaza na polikrystalicznej folii miedzianej, charakteryzacja strukturalna, określenie aktywności katalitycznej układu w reakcjach HER i OER

Dodatkowe informacje

Całkowita wartość projektu: 688 800,00 PLN

Kwota dofinansowania UE: 688 800,00 PLN

Nr umowy o dofinansowanie: FENG.02.07-IP.05-0214/23

Projekt realizowany w latach: 2024-2025

Miejsce realizacji projektu: Centrum NanoBioMedyczne UAM, ul. Wszechnicy Piastowskiej 3, 61-614 Poznań

Rezultaty projektu

Znaczenie rezultatów projektu

Rezultaty projektu stanowią istotny wkład w rozwiązanie globalnego zagadnienia badawczego, jakim jest poszukiwanie ekologicznych źródeł energii, które mogłyby stanowić alternatywę dla szeroko stosowanych paliw kopalnych. Nadrzędną motywację tego typu badań stanowi konieczność ograniczenia emisji tzw. gazów cieplarnianych przyczyniających się do globalnego ocieplenia. Jedna z kluczowych w tym kontekście strategii zakłada wykorzystanie jako źródła energii gazowego wodoru, którego spalanie – w odróżnieniu spalania paliw konwencjonalnych – nie powoduje emisji szkodliwych dla środowiska substancji. Najprostszym sposobem pozyskiwania czystego wodoru wydaje się elektrochemiczna reakcja rozpadu wody (ang. water splitting – WS). Założone przez Unię Europejską uzyskanie pełnej neutralności klimatycznej w 2050 roku wymaga prowadzenia intensywnych badań naukowych oraz prac badawczo-rozwojowych mających na celu znalezienie skutecznych metod wytwarzania i magazynowania wodoru, w tym opracowanie wydajnych katalizatorów reakcji WS.

Uzyskane rezultaty

W ramach projektu przeprowadzono szereg prac badawczo-rozwojowych mających na celu określenie aktywności elektrokatalitycznej szerokiej grupy materiałów opartych na powszechnie dostępnych na Ziemi pierwiastkach: miedzi, żelazie i azocie. Szczególną uwagę poświęcono układom składającym się z 2-wymiarowych wysp azotku żelaza na podłożach miedzianych. Opracowanie wydajnego katalizatora składającego się z tego typu pierwiastków stanowiłoby alternatywę dla bardzo aktywnych, ale charakteryzujących się wysokim kosztem produkcji, katalizatorów opartych o pierwiastki z grupy platynowców. Miedź – z uwagi na energetycznie korzystną adsorpcję wodoru – jest jednym z obiecujących katalizatorów reakcji elektrochemicznego rozpadu wody. Problemem pozostaje jednak energetycznie niekorzystna dysocjacja wody na powierzchni tego materiału. Z kolei azotki metali przejściowych efektywnie dysocjują wodę, ale charakteryzują się słabym wiązaniem wodoru.

Przebadane w ramach projektu materiały uwzględniały: monokryształ miedzi, polikrystaliczną folię miedzianą, 2-wymiarowe wyspy azotku żelaza na podłożach monokrystalicznych, wyspy azotku żelaza na folii miedzianej, a także proszkowy azotek żelaza Fe₂N i proszkowy tlenek żelaza Fe₃O₄. W pierwszym etapie, zbadano stabilność strukturalną 2-wymiarowych wysp azotku żelaza na miedzi w warunkach standardowych oraz elektrochemicznych roztworach zasadowych. Pozyskana wiedza ma kluczowe znaczenia w kontekście zastosowania wspomnianych materiałów w przemyśle. Następnie, określono wartości nadpotencjałów (ang. overpotential – OP) dla wszystkich wymienionych materiałów w reakcjach HER i OER. Badania dostarczyły informacji o zależności aktywności elektrokatalitycznej od orientacji krystalograficznej podłoża miedzianego, a także od użytego elektrolitu (dla elektrolitów zasadowych oraz obojętnych). Co istotne, wykazano, że wykorzystanie folii miedzianej zamiast monokryształu miedzi jako podłoża do wzrostu azotku żelaza nie wpływa na aktywność elektrokatalityczną układu w reakcji HER. Samo opracowanie procedury wytwarzania azotku żelaza na folii może stanowić podstawę przeniesienia procesu fabrykacji materiału do skali przemysłowej. Na ostatnim etapie projektu zaprezentowano możliwość oczyszczania zużytych elektrod miedzianych i tworzenia przy użyciu odzyskanego materiału nowych katalizatorów (lub też wykorzystania miedzi do innych celów).

Jako że cienkie warstwy azotków żelaza wykazują również unikatowe właściwości magnetyczne i mechaniczne [P. Wojciechowski i M. Lewandowski, Cryst. Growth Des. 22 (2022) 4618], pozyskana w ramach projektu wiedza może przyczynić się do rozwoju wielu dziedzin przemysłu, takich jak np. spintronika.

Plan wykorzystania i upowszechniania wyników w okresie trwałości projektu

W okresie trwałości wysłane zostanie zgłoszenie patentowe, a część wyników zostanie opublikowana w formie artykułu naukowego. Informacje o zgłoszeniu patentowym i publikacji zostaną zamieszczone na stronach internetowych oraz w serwisach branżowych, takich jak LinkedIn oraz ResearchGate.

#FunduszeEuropejskie