W ramach projektu PECZIB powstanie urządzenie do wytwarzania wodoru z wody przy użyciu światła słonecznego. Zamiast klasycznego zestawu, łączącego panele słoneczne i elektrolizer, naukowcy chcą stworzyć jedno, zintegrowane rozwiązanie, które mogłoby służyć jako mobilna minielektrownia. 

Koncepcja zakłada połączenie ogniwa fotoelektrochemicznego (PEC) z baterią cynkowo-jonową ładowaną światłem (photo-ZIB). Dzięki temu powstanie urządzenie całkowicie samowystarczalne energetycznie. Ten cel wymaga opracowania nowych, niedrogich i jednocześnie bardzo trwałych materiałów elektrodowych. Badacze chcą wykorzystać łatwo dostępne pierwiastki, takie jak cynk, miedź czy cyna, zamiast rzadkich i toksycznych, np. platyny czy kadmu, a także cermikę. Planują również stworzenie nowej membrany polimerowej (BPS), która poprawi czystość i wydajność procesu produkcji wodoru. 

Ostatecznym celem jest skonstruowanie kompaktowego, taniego i przyjaznego dla środowiska urządzenia. „Fotochemiczne wytwarzanie wodoru zintegrowane z fotoładowalną baterią jonowo-cynkową” (PECZIB) ma za zadanie osiągnąć docelową sprawność konwersji energii słonecznej na wodór (STH) powyżej 25 proc., co stanowi ambitny, lecz zgodny z aktualnymi trendami kierunek badań nad materiałami fotoelektrochemicznymi. Taka technologia może w przyszłości stać się realną alternatywą dla tradycyjnych systemów PV – elektrolizer. 

Projekt zdobył finansowanie z M-ERA.NET, europejskiej sieci finansowania badań i innowacji w obszarze nauki o materiałach i inżynierii materiałowej. Biorą w nim udział naukowcy z Centrum NanoBioMedycznego UAM (CNBM), uczelni w Turcji i Rumunii.  

Inicjatywa wyszła z CNBM. Po obronie rozprawy doktorskiej, poświęconej wytwarzaniu nowoczesnych materiałów do fotoelektrochemicznego rozszczepienia wody z wykorzystaniem nanomateriałów, dr Mykola Pavlenko szukał projektu, w którym mógłby wykorzystać swoją wiedzę na temat tlenków metali przejściowych. Pomysł na nowe badania zrodził się dzięki współpracy prof. Igora Iatsunskiego z prof. Nurdan Demirci Sankir z Uniwersytetu Ekonomicznego i Technologicznego TOBB w Turcji, ekspertką specjalizującą się w fotowoltaice. Jej zespół dysponuje technologią wytwarzania warstw tlenku cynku oraz ich łączenia z nowoczesnymi materiałami własnej produkcji, natomiast UAM posiada dobre laboratoria zajmujące się badaniami fotowoltaicznymi. Badacze postanowili połączyć siły i zaprosić do współpracy partnera z Rumunii.  

Zespół Materiałów Funkcjonalnych kierowany przez prof. Igora Iatsunskiego od wielu lat współpracuje z prof. Sankir w zakresie badań nad materiałami do fotoelektrochemicznego rozszczepiania wody oraz rozwojem tzw. fotosuperkondensatorów. W ramach tej współpracy opublikowano już ponad pięć artykułów w wysoko notowanych czasopismach naukowych oraz złożono kilka wniosków projektowych – jeden z nich uzyskał właśnie finansowanie. Zdaniem prof. Iatsunskiego realizacja projektu PECZIB pozwoli uzyskać znakomite wyniki, które niewątpliwie wniosą istotny wkład w rozwój nauki o materiałach i badań nad energią odnawialną. Projekt ten będzie także istotnym elementem dalszego rozwoju kariery naukowej dr. Pavlenki, byłego doktoranta prof. Igora Iatsunsky’ego. 

– Obecnie energia do produkcji wodoru pochodzi głównie z systemów fotowoltaicznych połączonych z elektrolizerami – relacjonuje dr Pavlenko. – Nasza strategia zakłada bardziej zintegrowane podejście: zaprojektowane fotoelektrody będą jednocześnie pochłaniać światło i generować fotoprąd, który zasila reakcję rozszczepienia wody prowadzącą do wydzielania wodoru. Dzięki temu możliwe będzie stworzenie bardziej kompaktowego i efektywnego systemu – wyjaśnia. 

Projekt PECZIB wpisuje się w cele zielonej gospodarki Unii Europejskiej i dekarbonizacji do 2050 r. Obecnie uważa się, że paliwem przyszłości jest wodór – pierwiastek, który może odegrać kluczową rolę w ograniczaniu emisji dwutlenku węgla. Można go wytwarzać bez użycia paliw kopalnych, rozdzielając wodę na tlen i wodór za pomocą elektrolizera. Aby jednak produkcja była naprawdę ekologiczna, potrzebna energia powinna pochodzić ze źródeł odnawialnych. 

Dlatego baterie photo-ZIB będą ładowane bezpośrednio energią słoneczną. Do ich produkcji naukowcy użyją nowoczesnych materiałów, takich jak MOF, dwutlenek manganu i MAXene, które zwiększają wydajność i zapobiegają problemom, np. tworzeniu się dendrytów (wyrostków metalicznych wywołujących spięcia w bateriach). 

Warto też zwrócić uwagę na to, że badacze chcą użyć ogniw fotowoltaicznych wykorzystujących nie tylko światło UV (fale o długości ok. 400 nm), ale również światło widzialne (400-800 nm) oraz częściowo światło podczerwone – IR (powyżej 1000 nm). Około 50 proc. energii promieniowania słonecznego przypada na zakres bliskiej podczerwieni (700-2500 nm), z czego 30-35 proc. znajduje się powyżej 1000 nm. Dzięki poszerzeniu zakresu absorpcji urządzenie będzie mogło pracować efektywnie także przy niższym nasłonecznieniu. 

– Jeśli uda się osiągnąć gęstość fotoprądu rzędu 25-30 mlA na 1 cm kw., to przy elektrodach o powierzchni liczonej w metrach kwadratowych będzie można zbudować wyjątkowo wydajne i efektywne urządzenie – wyjaśnia fizyk. 

Badacze z Turcji wyprodukowali już warstwy i struktury całej fotoelektrody, natomiast pracownicy CNBM zajmują się badaniem jej właściwości fotoelektronicznych.  

– Dysponujemy szerokim zapleczem sprzętowym. Do tego dzięki projektowi zakupiliśmy już czwarty potencjostat, co pozwala nam prowadzić pomiary elektrochemiczne i badania fotokorozji oraz wykonać charakterystykę fotoelektryczną. Nie mamy jednak możliwości wytwarzania nanostruktur. Dlatego liczymy, że dzięki współpracy uda się zapewnić transfer technologii z Turcji – wyjaśnia dr Pavlenko. 

W Rumunii urządzenia do pomiarów rezonansu paramagnetycznego elektronów (EPR/ESR) pozwolą na analizę defektów oraz badanie właściwości struktury krystalicznej warstw. 

– Doktor Arpad Mihail Rostas, który jest ekspertem w tej dziedzinie, przeprowadzi analizę defektów oraz ich wpływu na działanie fotoelektrody i całej struktury krystalicznej. Choć w UAM również prowadzimy takie badania, brakuje nam specjalistów o podobnym doświadczeniu. W ramach projektu chcemy, aby dr Rostas odwiedził Poznań, pokazał swoje metody i podzielił się z nami wiedzą – mówi dr Pavlenko. 

Efekty projektu mają być praktyczne. Partnerom zależy na opatentowaniu technologii, którą będzie można wykorzystać w gospodarce do produkcji modułów wytwarzających wodór. Projekt PECZIB znajduje się obecnie na wczesnym etapie rozwoju technologii (TRL 2), a celem konsorcjum jest doprowadzenie do poziomu laboratoryjnego prototypu (TRL 4–5), co oznacza przejście od koncepcji do działającego układu możliwego do dalszego skalowania. Już trzy firmy z Turcji i Polski są zainteresowane tym rozwiązaniem. Technologia ma być gotowa do współpracy z przemysłem. 

– Rezultaty projektu mogą zostać wykorzystane do opracowania modułów wodorowych, które mogą służyć jako mobilne elektrownie np. w gospodarstwach rolnych, które trudno jest podłączyć do sieci energetycznej, lub w miejscach, gdzie istnieje ryzyko przerw w dostawie prądu spowodowanych katastrofami naturalnymi lub działaniami wojennymi. To idealne rozwiązanie także dla nowoczesnych systemów magazynowania energii – przekonuje naukowiec.  

Największą zaletą systemu modułowego jest jego mobilność i stabilność. Takie źródła energii można rozmieścić elastycznie, dzięki czemu cały system jest znacznie bardziej odporny na awarie. W tradycyjnym modelu, opartym na dużych elektrowniach, awaria jednego obiektu powoduje paraliż całej sieci. Natomiast w modelu rozproszonym podobne uszkodzenie nie zakłóci pracy systemu.  

Dodatkowym atutem jest czas – podczas gdy budowa dużej elektrowni trwa kilka lat, instalacja lub wymiana modułów może być zrealizowana w znacznie krótszym czasie, liczonym w tygodniach. System modułowy pozwala elastycznie dostosowywać źródła energii do potrzeb lokalnych społeczności, a ewentualne niedobory mogą być uzupełniane poprzez integrację z innymi modułami. 

Wodór wyprodukowany w ten sposób może zasilać pojazdy, ogniwa paliwowe, przemysł chemiczny i hutniczy. Photo-ZIB może być używany również w elektronice użytkowej, czujnikach, medycynie i systemach internetu rzeczy. 

Projekt PECZIB jest koordynowany przez prof. Nurdan Demirci Sankir z Uniwersytetu Ekonomicznego i Technologicznego TOBB w Turcji. Ze strony polskiej uczestniczą w nim prof. Igor Iatsunsky i dr Mykola Pavlenko z zespołu Functional Materials Centrum NanoBioMedycznego. Trzecim partnerem jest Narodowy Instytut Badań i Rozwoju Technologii Izotopowych i Molekularnych w Rumunii, reprezentowany przez dr. Arpada Mihaila Rostasa, czwartym – Uniwersytet Sabanci w Turcji i prof. Emre Erdem. 

Zobacz też: Prof. UAM Igor Iatsunskyi. Functional Materials