Szkodliwy gaz przekształcony np. w paliwo? Tak w przyszłości może wyglądać sposób na redukcję CO2 w atmosferze. Pomóc w tym mają katalizatory o ogromnej powierzchni, które opracował dr Wojciech Stępniowski z Instytutu Inżynierii Materiałowej Wydziału Nowych Technologii i Chemii WAT
/>
Ma pan opinię naukowca, który szuka nieszablonowych rozwiązań. Nad czym aktualnie pan pracuje?
Obecnie wytwarzamy katalizatory oparte na miedzi i jej stopach, których zadaniem będzie elektrochemiczna redukcja dwutlenku węgla do innych, użytecznych związków chemicznych, takich jak np. etanol czy etan.
Jak będzie przebiegać taki proces?
Dzięki środkom z Narodowej Agencji Wymiany Akademickiej zamawiamy dość specyficzną celę (H-cell) od producenta ze Szwecji. Tam będą oddzielne komory z elektrolitami dla anody i katody. Na katodzie, czyli na elektrodzie, gdzie zachodzi redukcja, będziemy mieli roztwór wodorowęglan potasu, który będzie cały czas nasycany dwutlenkiem węgla z butli. Ujemny potencjał będzie przykładany właśnie do tej elektrody, a wtedy dwutlenek węgla będzie się najpierw adsorbował na powierzchni katalizatora, po czym będzie ulegać redukcji. Oczywiście, może ulec redukcji np. do takich substancji jak kwas mrówkowy, ale jeżeli proces będzie prowadzony w odpowiedni sposób, z dostosowanym katalizatorem, to można będzie uzyskać związki z wiązaniem węgiel-węgiel, czyli np. eten lub etanol.
Do czego mogą one zostać wykorzystane?
Na przykład eten można wykorzystać do wytwarzania polimerów. Ale cała idea polega na tym, aby dwutlenek węgla z powrotem wprowadzić do obiegu chemicznego w gospodarce. To są dopiero badania podstawowe, czyli uczymy się zjawiska i staramy się je zrozumieć i okiełznać.
Wytwarzane przez pański zespół katalizatory charakteryzują się dużą powierzchnią. Jaka jest ich wielkość?
Trzeba rozróżnić dwa aspekty. Pierwszy to fizyczna powierzchnia i w tym przypadku to mogą być nawet setki metrów kwadratowych z grama. My wytwarzamy już katalizatory elektrochemiczne poprzez anodyzację, czyli elektrochemiczne utlenianie. Wówczas uzyskujemy nanostruktury, które wyglądają jak koralowce albo pompony. Ich powierzchnia jest znacząco rozbudowana. Następnie, jeżeli wprowadzimy reakcję elektrochemiczną, to najbardziej będzie nas interesować tzw. powierzchnia elektrochemicznie aktywna. Będzie dla nas kluczowa, bo to ona nam powie, jak bardzo wzmacniamy sprawność katalityczną naszego układu poprzez rozbudowanie jego powierzchni.
Wspomniał pan, że waszym celem jest ponowne wprowadzenie dwutlenku węgla do obiegu. Czy te badania mogą mieć duże znaczenie dla efektu cieplarnianego?
Na tym nam przede wszystkim zależy. Wychodzę z założenia, że trzeba próbować wziąć na warsztat poważny problem, z jakim boryka się ludzkość. W tym przypadku jest to dwutlenek węgla. Mamy go o wiele za dużo i my, naukowcy powinniśmy rozwiązać ten problem. Miałem to szczęście, że półtora roku pracowałem w Holandii (TU Delft). Wyobraźmy sobie, że poziom wód podnosi się o 0,5 m lub 1 m i ten kraj ma już poważny problem. Jeżeli zgodnie z porozumieniem paryskim mamy osiągnąć neutralność klimatyczną do 2050 r., to już musimy zacząć realnie myśleć, jak rozwiązać problemy. Badania, które prowadzimy, to dopiero zalążek. Najpierw musimy zbadać zjawisko, zrozumieć je i opanować wytwarzanie katalizatora w kontekście aplikacji. Dopiero po tym wszystkim będzie możliwe przejście na większą skalę. To będzie wyzwanie na dalsze lata, jeśli nie dekady dla naszej pracy naukowej. Zarówno dla mnie, jak i dla mojej grupy projektowej.
Do czego za kilka lat mogą być wykorzystywane efekty waszych dzisiejszych badań?
Nasze materiały są oparte na miedzi. Polska jest jednym z największych jej producentów. Wytwarzając takie nanostruktury na powierzchni miedzi, można ją wykorzystywać nie tylko do elektrochemicznej redukcji dwutlenku węgla, lecz także do fotochemicznego oczyszczania wód z substancji organicznych albo do fotochemicznego rozkładu na wodór z tlenem itd.
W jednym z wcześniejszych wywiadów swoje aktualne badania określił pan jako „projekt o wysokim ryzyku”. Może więc sukces okaże się przełomem?
Nie chodzi o jakiś teoretyczny sukces. Z moją grupą zastanawiam się, co możemy zrobić, aby uczynić świat lepszym. Chcemy stawić czoło realnemu wyzwaniu. Tego się nauczyłem od Amerykanów, którzy mówią: „think big”, czyli starajmy się coś zrobić ambitnego, nie obiecujmy gruszek na wierzbie, ale dajmy z siebie wszystko, mierząc się z ambitnym problemem.
Teraz wraz ze swoim zespołem kontynuuje pan badania w Wojskowej Akademii Technicznej. Co pana skłoniło do tej naukowej przeprowadzki?
Większość młodych, czyli zbliżających się do czterdziestki, polskich naukowców, którzy są za granicą, jest na etapie kariery „post-doc” i rozgląda się za zostaniem assistant profesor, czyli wiedzą, co będzie za pół roku, za rok, ale nie za dwa lata. To jest jak stanie w ogromnym rozkroku. Z jednej strony kariera naukowa za granicą, może czasami lepsza okazja do rozwoju zawodowego, ale z drugiej są korzenie w Polsce, rodzina, przyjaciele. W pewnym momencie trzeba się zdecydować. W moim przypadku w podjęciu decyzji pomogło mi również ogłoszenie na stronie NAWA o naborze do programu Polskie Powroty. To jest ogromny skok jakościowy w hierarchii zawodowej, ponieważ zostaje się szefem grupy. Można dobrać do współpracy ludzi, którzy już mają doświadczenie w projektach i odbyli staże. Stawiać na młodych, energicznych, inteligentnych. I ja takich ludzi zatrudniłem. Oprócz tego mam dwoje studentów. Z czystym sumieniem mogę polecić ten program wielu moim koleżankom i kolegom, którzy też są za granicą i również są w zawieszeniu. Może się nagle okazać, że jest problem z zatrudnianiem przy projektach, bieżący projekt może się skończyć albo przełożony nie dostanie następnego grantu. Tutaj mamy stabilność na cztery lata, dość atrakcyjne wynagrodzenie i robimy to, co chcemy – realizujemy się zawodowo. Robimy to, co dokładnie zaplanowaliśmy.
Dlaczego wybrał pan Wojskową Akademię Techniczną w Warszawie?
Jest kilka powodów. Przede wszystkim na WAT robiłem doktorat i pracowałem przez kilka lat, miałem swoją część laboratorium. Dodatkowo kilka lat temu w moim Instytucie Inżynierii Materiałowej, jeszcze pod przewodnictwem prof. Zbigniewa Bojara, realizowaliśmy projekt za ponad 20 mln zł z Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, dzięki któremu jednostka została wyposażona w najnowocześniejszy sprzęt. Dzięki temu wiedziałem, że wracając na WAT, z jednej strony mam swoje laboratorium, a z drugiej sprzęt, na którym mogę charakteryzować to, co uzyskam. Wybór właśnie tej jednostki był dla mnie czymś naturalnym.
Kontynuuje pan także międzynarodową współpracę?
Oczywiście! Kończę właśnie pisać projekt, który zamierzamy realizować ze współpracownikami z Holandii i Brazylii. Nie ma żadnych problemów z rozwijaniem takiej działalności. Co więcej, WAT zachęca, aby pisać wspólne projekty i rozwijać współpracę międzynarodową. Być może to ja dobrze trafiłem: mam takich przełożonych, z których strony nie mam żadnych ograniczeń. Mówią jasno: „zdobywaj projekty, publikuj, rozwijaj się!”.
Czy to jest dobry czas na powrót polskich naukowców do kraju?
Zostało wykonanych kilka ruchów w dobrą stronę. W ostatnich latach wydatki na naukę w Polsce wzrosły z 0,9 proc. PKB do 1,2 proc. PKB. Oczywiście brakuje nam wiele do Stanów Zjednoczonych czy Korei Południowej, ale kierunek jest dobry. Dodatkowo takie projekty jak Polskie Powroty NAWA są kolejnym argumentem na szali decyzji o powrocie. Granty mogą być silnym impulsem do przeprowadzki. I co ważne, mamy dobrze doposażone laboratoria w Polsce. Dzięki Ministerstwu Nauki i Szkolnictwa Wyższego, a także finansowaniu z Unii Europejskiej na uczelniach jest coraz więcej dobrego sprzętu. Jestem dobrej myśli.
/>
/>
/>
Mikrografie FE-SEM nanodrutów uzyskanych w efekcie anodowego utleniania miedzi
partner
/>