W wyniku działalności człowieka źródła wody stają się coraz bardziej zanieczyszczone różnorodnymi substancjami. Metody foto- i fotoelektrokatalityczne zyskują ostatnio na popularności w oczyszczaniu wody ze względu na niski koszt, zrównoważony charakter, wysoką efektywność oraz minimalny wpływ na środowisko. Woda może być również źródłem wodoru, uznawanego za paliwo przyszłości. Również w tym kontekście procesy foto- i fotoelektrokatalitycznego rozkładu wody zyskują na znaczeniu, ponieważ umożliwiają produkcję zielonego wodoru. Aby jednak procesy te były skuteczne, konieczne jest zastosowanie odpowiednich foto- i fotoelektrokatalizatorów. Niestety, obecnie używane materiały mają ograniczenia zarówno w oczyszczaniu wody, jak i w produkcji wodoru. Do ich głównych wad należą niska efektywność absorpcji światła, wysokie koszty, ograniczone wykorzystanie światła słonecznego, słaba separacja nośników ładunku czy też podatność na fotokorozję. Dlatego projektowanie nowoczesnych foto- i fotoelektrokatalizatorów, które eliminują większość z tych problemów, może przyczynić się do stworzenia bardziej efektywnych, ekologicznych i zrównoważonych procesów oczyszczania wody i produkcji wodoru. 

– W ramach projektu chcemy opracować nowoczesne materiały hybrydowe oparte na grafitowym azotku węgla (g-C3N4) z dodatkiem nanomateriałów węglowych oraz tlenków (np. TiO2, Fe2O3) i siarczków metali przejściowych (np. MoS2), które będą mogły być stosowane w procesach foto- i fotoelektrokatalitycznego oczyszczania wody oraz produkcji wodoru – mówi dr inż. Marta Mazurkiewicz-Pawlicka. – Połączenie g-C3N4 z tymi materiałami pozwoli zwiększyć powierzchnię właściwą, poprawić absorpcję światła, separację ładunków, stabilność i możliwość wielokrotnego wykorzystania katalizatorów.

Naukowcy zaproponują nowatorskie podejścia do syntezy tych materiałów. Metody syntezy będą łatwe do skalowania, bardziej ekologiczne i mniej skomplikowane w porównaniu z tradycyjnymi technikami. Grafitowy azotek węgla zostanie wytworzony różnymi metodami chemicznymi, na przykład przez polimeryzację opracowaną na Uniwersytecie Technicznym w Ostrawie. Modyfikacje g-C3N4 z wykorzystaniem MoS2 i nanomateriałów węglowych zostaną przeprowadzone na Politechnice Warszawskiej, a tlenki metali przejściowych zostaną przygotowane na Taipei Medical University. 

– Połączenie g-C3N4 z tlenkami lub siarczkami metali przejściowych oraz nanomateriałami węglowymi to temat, który nie został jeszcze szeroko zbadany – tłumaczy dr inż. Marta Mazurkiewicz-Pawlicka. – Opracowane materiały będą testowane pod kątem zdolności do usuwania organicznych i mikrobiologicznych zanieczyszczeń z wody oraz fotoelektrokatalitycznego rozkładu wody, prowadząc do produkcji zielonego wodoru. Planowane badania mogą przyczynić się do stworzenia bardziej efektywnych i trwałych technologii oczyszczania wody oraz produkcji wodoru, co jest priorytetem w walce ze zmianami klimatycznymi.

M-ERA.NET jest siecią organizacji finansującą badania z obszaru nauk o materiałach oraz inżynierii materiałowej. Konsorcjum ogłasza konkursy na projekty realizowane przez międzynarodowe zespoły badawcze. W konkursie M-ERA.NET – 3/2024 finansowanie otrzymało 15 projektów z udziałem polskich naukowców.