Badanie właściwości dwutlenku tytanu w poszukiwaniu odnawialnych źródeł energii

W 1972 r. Fujishima i Honda (Nature 238, 37-38 (7 lipca 1972)) opublikowali pracę stanowiącą przełom w konwersji światła na energię chemiczną. Praca ta dotyczyła elektrochemicznej fotolizy wody przy udziale półprzewodnika w obecności promieniowania UV-Aⁱ. Niestety aż do dnia dzisiejszego, pomimo wielu osiągnieć naukowych w tej dziedzinie, dużym wyzwaniem pozostaje zbudowanie urządzenia, które produkowałoby paliwa słoneczne, takie jak wodór, w podobnej skali i opłacalności co paliwa kopalne. Aby wodór mógł konkurować z benzyną jako paliwo do samochodów osobowych, jego cena, zdaniem Departamentu Energii USA, powinna wynosić mniej niż $3.3 kg^-1 (z uwzględnieniem produkcji, dostawy i dozowania).

Większość badań w tej dziedzinie prowadzonych jest w oparciu o półprzewodniki z relatywnie szeroką przerwą energetyczną, czyli różnicą energii pomiędzy pasmami nieprzewodzącymi i przewodzącymi, która wpływa na własności elektryczne materiałów. Takim związkiem jest dwutlenek tytanu (TiO₂), najbardziej popularny obecnie fotokatalizator, używany do konwersji promieniowania słonecznego w wiązania chemiczne. Pomimo faktu, że wydajność katalityczna TiO₂ jest duża, jego zastosowanie utrudnia konieczność użycia promieniowania w zakresie UV-A ze względu na szeroką przerwę energetyczną (ok. 3.2 eV). Popularną strategią zwiększenia absorpcji światła w zakresie widzialnym jest modyfikacja (domieszkowanie) w celu zmniejszenia przerwy energetycznej. Z tego powodu TiO₂ jest domieszkowane pierwiastkami z grupy 3d układu okresowego lub pierwiastkami lekkimi, takimi jak azot, węgiel lub siarka, które przesuwają granicę pasma przewodnictwa lub pasma walencyjnego i w ten sposób zmniejszają przerwę energetyczną. Pomimo tego, że proces domieszkowania powoduje zwiększoną absorpcję światła widzialnego, w wielu przypadkach nie przekłada się to na zwiększenie wydajności katalitycznej związków, a nawet powoduje jej zmniejszenie.

Głównym założeniem projektu jest zbadanie struktury elektronowej na powierzchni i w objętości TiO₂ domieszkowanego węglem, azotem i siarką. W tym celu wykorzystamy opracowaną przez nas metodologię łączącą rentgenowską rezonansową spektroskopię emisyjną (RXES) z obliczeniami teoretycznymi, w celu wyznaczenia najniższych nieobsadzonych i najwyższych obsadzonych stanów elektronowych w Ti. Zastosowanie promieniowania X w tym projekcie jest kluczowe ze względu na możliwość zbadania struktury elektronowej w rzeczywistych warunkach pracy materiału tj. w atmosferze redukującej lub utleniającej oraz przy różnych temperaturach. W wyniku badań chcemy zrozumieć, dlaczego zwiększona absorpcja światła widzialnego w domieszkowanym dwutlenku tytanu nie przekłada się na zwiększoną aktywność katalityczną. Ponieważ wydajność chemiczna jest określona przez liczbę stanów elektronowych dostępnych dla reakcji na powierzchni katalizatora, ważne jest, aby określić wpływ domieszkowania na strukturę elektronową tej powierzchni.

Rozróżnienie wpływu struktury elektronowej na powierzchni i w objętości próbki pozwoli na dogłębne zrozumienie własności fotokatalitycznych domieszkowanego TiO₂ i w konsekwencji może przyczynić się do dalszego rozwoju zastosowań chemicznych czy farmaceutycznych. Badania nad właściwościami dwutlenku tytanu mogą mieć istotny wpływ na usprawnienie procesu pozyskiwania energii i stanowić krok naprzód w poszukiwaniu tanich odnawialnych źródeł energii.

dr hab. Jakub Szlachetko

Po otrzymaniu tytułu magistra w roku 2003 zostałem zatrudniony na stanowisku asystenta w Instytucie Fizyki Uniwersytetu Jan Kochanowskiego w Kielcach i jednocześnie oddelegowany na studia doktoranckie na Uniwersytet we Fribourgu wSzwajcarii. Podczas studiów doktoranckich po raz pierwszy zetknąłem się z wysokorozdzielczymi technikami spektroskopowymi pracując w laboratorium prof. Jean-Claude’a Dousse. W roku 2007, po ukończeniu doktoratu, otrzymałem grant Szwajcarskiego Centrum Nauki na pobyt w Europejskim Centrum Promieniowania Synchrotronowego (ESRF) we Francji. Celem projektu była budowa spektrometru krystalicznego do zastosowań w mikroskopii rentgenowskiej na linii eksperymentalnej ID21. W latach 2007-2010 kontynuowałem prace naukowe z wykorzystaniem spektroskopii rentgenowskiej w Szwajcarskim Źródle Promieniowania Synchrotronowego, a następnie w roku 2013 zostałem zatrudniony w projekcie SwissFEL. Obecnie jestem pracownikiem Instytutu Fizyki na Uniwersytecie Jana Kochanowskiego w Kielcach gdzie  kontynuację badania naukowe związane z wykorzystaniem spektroskopii na źródłach synchrotronowych i XFEL do badań poświęconych zmianom układów elektronowych w procesach chemicznych i fotochemicznych, jak również badań dotyczących nieliniowej absorpcji promieniowania X.

Data publikacji: 17.10.2016