PRELUDIUM 12 “Nowe nanokompozyty oparte na nanostrukturach krzem/tlenek metalu (TiO2, ZnO) dla wydajnej produkcji wodoru poprzez fotoelektrochemiczne rozszczepienie wody”

Instytucja nadzorująca: 
Narodowe Centrum Nauki
Kierownik projektu: 
mgr Mykola Pavlenko
Budżet: 
149 700 PLN
Data rozpoczęcia: 
01.09.17
Czas trwania: 
36 miesięcy

Na powyższym rysunku: schematyczna reprezentacja energii pasm, transferu ładunku i procesów rozszczepienia wody w  strukturze TiO2 / SiNP (w zależności od typu przewodności)
 
Jednym z wyzwań stojących obecnie przed ludzkością jest produkcja czystej energii ze źródeł odnawialnych. Jedną z alternatyw jest wodór produkowany z rozkładu wody za pomocą energii słonecznej w ogniwach fotoelektrochemicznych (PEC). Idea ogniw fotoelektrochemicznych jest bardzo zbliżona do idei fotowoltaicznych ogniw słonecznych - materiał półprzewodnikowy absorbuje światło słoneczne, tylko w PEC energia promieniowania przekształcana jest na energię chemiczną. Powstała para elektron-dziura reagują z elektrolitem i powodują powstanie wodoru i tlenu. Foton zaabsorbowany w półprzewodniku typu n generuje elektron i dziurę. Dziura utlenia wodę i powstaje tlen - jest to proces przebiegający na fotoanodzie, zaś elektron na katodzie redukuje wodę i powstaje wodór. Kluczową rolę w ogniwie PEC pełni anoda dlatego przy wyborze materiału należy kierować się pewnymi kryteriami. Fotoanoda powinna: - mieć przerwę energetyczną rzędu 1,5-2,0 eV, co z jednej strony odpowiada maksymalnej absorpcji w zakresie vis, a z drugiej jest wystarczające do procesu fotoelektrolizy, - mieć powierzchnię charakteryzującą się wysoką odpornością na korozję i fotokorozję w roztworach elektrolitów wodnych oraz stabilnością w czasie pracy w ogniwie, - być półprzewodnikiem typu n, - charakteryzować się szybkim transportem ładunku do elektrolitu oraz wysoką ruchliwością ładunku w objętości fotoanody, - posiadać ujemny potencjał płaskich pasm VFB (Flat Band Potential) w stosunku do skali elektrochemicznej. Głównym celem projektu będzie wytworzenie i charakteryzacja struktury nanokompozytu opartego na nanokolumnach porowatego krzemu (PSiNP) – tlenek metalu (TiO2, ZnO) dla fotoelektrochemicznego (PEC) rozszczepiania/dysocjacji wody pod wpływem energii słonecznej.
W celu zwiększenia aktywności fotoelektrochemicznej/fotokatalitycznej porowatego krzemu, powierzchnia PSiNP zostanie zmodyfikowana za pomocą nanowarstw TiO2 oraz ZnO. W celu zdobycia fundamentalnej wiedzy na temat tego typu nowych nanokompozytów, konieczne jest przeprowadzenie szczegółowej charakteryzacji ich chemicznych, elektrooptycznych, i fotoelektrochemicznych właściwości oraz znalezienie ich wzajemnych zależności.
Do wytworzenia czystego wodoru naukowcy wykorzystali technologię rozszczepiania wody (z ang. „water splitting”). Dwie połączone ze sobą, półprzewodnikowe elektrody umieszczane są w wodzie. Elektrody absorbują światło i wykorzystują energię, do rozkładu wody na jej podstawowe składniki, czyli tlen i wodór. Następnie tlen uwalniany jest do atmosfery, a wodór przechowywany jest jako paliwo. Kiedy wystąpi zapotrzebowanie na energię proces wystarczy odwrócić. Zmagazynowany wodór łączony jest tlenem z powietrza, w wyniku czego powstaje energia oraz woda. Cały proces jest zrównoważony i nie powstają szkodliwe gazy cieplarniane. Największy problem dla naukowców stanowi odnalezienie odpowiednich, niedrogich materiałów do budowy elektrod w rozdzielaczach wody. Krzem jest powszechnie stosowany w konstrukcjach paneli słonecznych, lecz w kontakcie z elektrolitem ulega degradacji. W rzeczywistości elektrody krzemowe bardzo szybko korodują, przez co spada wydajność ogniwa PEC. Aby uniknąć tego zjawiska stosuje się warstwy ochronne (np. TiO2). Na podstawie analizy dotychczasowego piśmiennictwa można ustalić co następuje:
- nanokompozyty PSi-TiO2 są dobrymi fotokatalizatorami (separacja ładunku pomiędzy TiO2 i Si);
- wykazują obecność wysokich fotoprądów i właściwości fotoluminescencyjnych; - PSi stosowany jest w ogniwach PEC, TiO2 ułatwia i polepsza transfer ładunku;
 -brak badań nad podstawowymi właściwościami nanokompozytów PSiNP-TiO2 i nanokompozytów PSiNP-TiO2/ZnO.
Oczekiwane rezultaty dotyczące właściwości strukturalnych, optycznych i fotoelektrochemicznych nanokompozytów PSiNP-TiO2/ZnO będą bardzo ważne w świetle nauk materiałowych służących projektowaniu, wytwarzaniu i kontrolowaniu właściwości wieloskładnikowych nanostruktur. Praktyczne zastosowanie nanokompozytów PSiNP-TiO2/ZnO produkcji wodoru będzie realnie odczuwane w dziedzinie energetyki, przemyśle spożywczym, ochronie środowiska. Projekt ten nakierowany jest ponadto na przepływ wiedzy i aktywności badawczej pomiędzy Centrum NanoBioMedycznym i partnerami z Ukrainy, które czynnie zaangażowane będą w prace nad tym projektem.
 

Kontakt | Baza kontaktów | RSS | Login
© 2017 CENTRUM NANOBIOMEDYCZNE UAM | ul. Umultowska 85, PL61614 Poznań, Poland | tel.+48 61 829 67 04.

Developed by drupalninja.pl