Slunce jako nástroj pro čištění vody i výrobu sloučenin s vysokou hodnotou
Vědecká skupina profesora Josefa Krýsy z Ústavu anorganické technologie VŠCHT Praha se zaměřuje na vývoj a optimalizaci fotoelektrochemických článků – zařízení, která dokáží využít sluneční světlo k pohánění užitečných chemických reakcí. V rámci projektu podpořeného Grantovou agenturou ČR (č. 23-05266S) se výzkum soustředí na zvýšení účinnosti těchto článků a jejich využití jak pro odstraňování znečišťujících látek z vody, tak pro syntézu sloučenin s energetickým potenciálem.
Co je to fotoelektrochemický článek?
Jde o zařízení, které dokáže pomocí slunečního světla spustit a řídit chemickou reakci. Základním prvkem je tzv. fotoelektroda – speciální polovodičový materiál, který po ozáření světlem generuje elektrický proud (tzv. fotoproud). Tento fotoproud pak umožňuje průběh reakcí na povrchu elektrody – například oxidaci nežádoucích látek, jako jsou pesticidy nebo rezidua léčiv, nebo naopak syntézu hodnotných sloučenin, například látek podobných palivu.
Jak fungují polovodičové fotoelektrody?
Ve výzkumu se pracuje se dvěma typy polovodičů:
- n-typ (např. Fe₂O₃, WO₃, CuWO₄): materiály, kde nositeli náboje jsou elektrony, které se používají jako fotoanody a probíhá na nich oxidace.
- p-typ (např. CuO, Cu₂O, CuFeO₂): materiály, kde nositeli náboje jsou tzv. „díry“ (chybějící elektrony), fungující jako fotokatody a dochází na nich k redukci.
Zjednodušeně řečeno, tyto dva typy polovodičů fungují jako dvě poloviny dobře sladěného stroje – jeden přitahuje elektrony, druhý je uvolňuje, a společně umožňují průběh žádané chemické reakce pod vlivem světla.
Co přesně zkoumáme?
Cílem projektu je zvýšit účinnost fotoelektrochemických článků několika cestami:
- zlepšením fotosenzitivity – tedy schopnosti fotoelektrody absorbovat sluneční světlo,
- zefektivněním přenosu náboje,
- zvýšením dlouhodobé stability, aby elektrody vydržely co nejdéle bez degradace.
Elektrody se připravují pomocí sofistikovaných metod, jako je aerosolová a sprejová pyrolýza nebo hydrotermální syntéza, což umožňuje přesně řídit jejich strukturu – například krystalinitu, poréznost nebo jednorozměrné uspořádání částic (tzv. 1D struktury).
Jak ochránit elektrody před poškozením?
Při dlouhodobém ozáření může u některých materiálů docházet k tzv. fotokorozi – tedy postupnému rozkladu materiálu. Jedním z řešení je nanášet na povrch fotoelektrod tenké ochranné vrstvy z jiných polovodičů (např. TiO₂, SnO₂), které působí jako ochranný plášť.
Tyto vrstvy se vytvářejí pokročilými technikami jako Atomic Layer Deposition (ALD), sol-gel (nanášení ponorem) nebo sprejová pyrolýza. Klíčové je, aby byly energeticky sladěné – tedy aby elektrony mohly mezi vrstvami efektivně přecházet, aniž by docházelo ke ztrátám.
Spolupráce a praktické využití
Na výzkumu se podílí také Ústav fyzikální chemie J. Heyrovského AV ČR, kde se soustřeďují především na přípravu a charakterizaci ochranných vrstev. Ve spolupráci obou pracovišť se potom testují vlastnosti vícevrstvých fotoelektrod jako Fe₂O₃/TiO₂, Fe₂O₃/SnO₂ nebo WO₃/TiO₂. Sledována je stabilita fotoproudu při simulovaném slunečním osvětlení i faradaická účinnost fotokoroze, tedy jaký podíl elektrického náboje je skutečně využit k žádoucí chemické reakci.
Finálním výstupem budou stabilní a účinné fotoelektrody určené pro:
- oxidativní odstraňování znečištění z vod a
- fotoelektrosyntézu hodnotných chemických sloučenin využívající energii slunečního záření.
Tento výzkum otevírá cestu k udržitelnějším technologiím, které mohou v budoucnu přispět ke zdravější vodě i čistší energetice.