Nanokryształy w konwersji energii

Słońce stanowi tanie i powszechnie dostępne źródło energii, które jest w stanie zaspokoić całe potrzeby energetyczne ludzkości. Zarazem jest źródłem bardzo zmiennym, zależnym od pogody i podlegającym dziennym i rocznym cyklom. Dlatego energia słoneczna musi przechowana dla późniejszego użycia, najlepiej w łatwo dostępnej formie.

Grupa zajmuje się badaniami konwersji energii słonecznej do postaci paliwa, takiego jak metan, metanol czy wodór. Energia padającego fotonu jest użyta by wymusić przebieg endoenergetycznych reakcji, które zamieniają wodę i dwutlenek węgla z powrotem w wysokoenergetyczne paliwa, które mogą być spalone by uwolnić zgromadzoną energię.

Jak to zrobić? Wykorzystujemy nanokryształy półprzewodników, tzn. bardzo małych cząstek o rozmiarach nanometrów, które absorbują promieniowanie słoneczne, generują parę elektron-dziura, która rozdziela się i przenoszą ładunki do osobnych katalitycznie aktywnych miejsc na powierzchni cząstek, gdzie wywołują reakcje redukcji i utleniania. Te reakcje przetwarzają wodę i/lub dwutlenek węgla w wodór, tlen i kilka różnych przydatnych związków węgla.

Może to brzmieć łatwo, ale w rzeczywistości konwersja wymaga zajścia całego szeregu procesów fizycznych, zachodzących w różnych skalach czasowych, od femtosekund do mikrosekund, dokładnie w wymaganym czasie i miejscu. Musi także pokonać konkurencję innych równoległych, pasożytniczych czy odwrotnych reakcji, które doprowadziłyby do rekombinacji ładunków lub otrzymania niechcianych lub bezużytecznych produktów. Aby tego dokonać i uczynić proces wydajnym, trzeba poznać dynamikę zachodzących procesów i zrozumieć ich mechanizm. Wtedy można najwolniejsze lub najmniej wydajne etapy spróbować poprawić lub nawet ominąć. W tym celu używamy spektroskopii zmiennoczasowej absorpcyjnej i emisyjnej w skali pikosekundowej do mikrosekundowej do badania dynamiki nośników ładunku.

Nanokryształy są świetnym narzędziem do osiągnięcia tego celu. Są niezwyke różnorodne w rozmiarach, kształcie, postaci czy składzie zatem ich geometryczne, optoelektroniczne i katalityczne własności mogą być dopasowane do zadania. Zajmujemy się szeregiem różnych typów nanokryształów szczególnie takimi, które dzięki morfologii lub własnościom wewnętrznym łamią symetrię dynamiki elektronów i dziur. To ułatwia rozdzielenie ładunku i utrzymanie tego stanu na czas zajścia pożądanych reakcji chemicznych.

Na rysunku powyżej pokazane są dwa przykłady, gdy anizotropia nanokryształów ułatwia rozdział ładunku. W pierwszym przypadku, po lewej stronie, nanopręciki siarczku kadmu są udekorowane katalizatorami redukcji i utleniania odpowiednio na końcach i bokach nanopręcików. Pozwoliło to (vide ref. [8]) fotokatalitycznie rozdzielić wodę na wodór i tlen. W dwóch pozostałych przypadkach rozdział ładunku i aktywnych miejsc reakcji zachodzi na nanopłytkach półprzewodnika.

Wybrane publikacje

1. S. Habisreutinger, L. Schmidt-Mende, J. K. Stolarczyk, Photocatalytic CO2 reduction on TiO2 and other semiconductors”, Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 7372-7408
2. T. Simon, N. Bouchonville, M. J. Berr, A. Vaneski, A. Adrović, D. Volbers, R. Wyrwich, M. Döblinger, A. S. Susha, A. L. Rogach, F. Jäckel, J. K. Stolarczyk, J. Feldmann, Redox shuttle mechanism enhances photocatalytic H2 generation on Ni-decorated CdS nanorods, Nature Mater. 2014, 13, 1013-1018
3. J. A. Sichert, Y. Tong, N. Mutz, M. Vollmer, S. F. Fischer, K. Z. Milowska, R. Garcia Cortadella, B. Nickel, C. Cardenas-Daw, J. K. Stolarczyk, A. S. Urban, J. Feldmann, Quantum Size Effect in Organometal Halide Perovskite Nanoplatelets, Nano Lett. 2015, 15, 6521–6527
4. J. K. Stolarczyk, A. Deak, D. F. Brougham, Nanoparticle clusters: assembly and control over internal order, current capabilities and future potential, Adv. Mater. 2016, 28, 5400-5424.
5. T. Simon, M. T. Carlson, J. K. Stolarczyk, J. Feldmann, Electron Transfer Rate vs Recombination Losses in Photocatalytic H2 Generation on Pt-decorated CdS Nanorods, ACS Energy Lett. 2016, 1, 1137-1142.
6. S. Bhattacharyya, F. Ehrat, P. Urban, R. Wyrwich, M. Döblinger, J. Feldmann, A. S. Urban, J. K. Stolarczyk, Effect of Nitrogen Atom-Positioning on the Trade-off between Emissive and Photocatalytic Properties of Carbon Dots, Nature Commun. 2017, 8, 1401.
7. F. Ehrat, S. Bhattacharyya, J. Schneider, A. Löf, R. Wyrwich, A. L. Rogach, J. K. Stolarczyk, A. S. Urban, J. Feldmann, Tracking the Source of Carbon Dot Photoluminescence: Aromatic Domains versus Molecular Fluorophores, Nano Letters 2017, 17, 7710–7716
8. C. M. Wolff, P. D. Frischmann, M. Schulze, B. J. Bohn, R. Wein, P. Livadas, M. T. Carlson, F. Jäckel, J. Feldmann, F. Würthner, J. K. Stolarczyk, Visible-light-driven water splitting using CdS decorated with nanoparticulate and molecular co-catalysts, Nature Energy 2018, 3, 862-869
9. J. Fang, T. Debnath, S. Bhattacharyya, M. Döblinger, J. Feldmann, J. K. Stolarczyk, Just-in-time delivery: Photobase effect in photocatalytic hydrogen generation, Nature Communications 2020 11, 5179
10. S. Rieger, T. Fürmann, J. K. Stolarczyk, J. Feldmann, Optically Induced Coherent Phonons in Bismuth Oxyiodide (BiOI) Nanoplatelets, Nano Letters, 2021, 21, 7887–7893

Członkowie grupy:

• dr hab. Jacek Stolarczyk, prof. UJ

Kontakt