Számos kémiai anyag költséghatékonyabban állítható elő elektrokémiai úton, különösen, ha napenergia felhasználásával, és ipari szempontból kevésbé hasznos, nagy mennyiségben keletkező melléktermék átalakításával történik. Egy ilyen eljárás két és fél éves úttörő kutatásának eredményét publikálták a Nature lapcsalád Nature Catalysis szaklapjában a Szegedi Tudományegyetem kutatói, Dr. Janáky Csaba, az SZTE IKIKK Anyag,- Környezet,- és Energiatudományi Kompetenciaközpont vezetője és munkatársai, közöttük első szerzőként a Fotoelektrokémiai Kutatócsoport fiatal tudományos kutatója, Dr. Balog Ádám.

A kutatók egy saját fejlesztésű elektrokémiai cellában több Napnak megfelelő fényerősségű megvilágítással fotoelektrokémiai úton alakították át hasznos nyersanyagokká a biodízelgyártás melléktermékét, a glicerint, valamint ugyanabban a cellában szén-monoxiddá redukálták a szén-dioxidot. Eredményük azért jelent áttörést, mert a folyamatot legalább egy nagyságrenddel nagyobb reakciósebességgel valósították meg a korábbi fotoelektrokémiai kutatások eredményeihez viszonyítva. Ez már összemérhető a hagyományos (megvilágítás nélkül működő) elektrolizálókkal, azonban a fotoelektrokémiai cellák költseghatékonyabban működtethetők.

Dr. Janáky Csaba. Fotó: Kovács-Jerney Ádám

Dr. Janáky Csaba szerint publikációjuk a napenergia hasznosítását, annak kémiai energiává való átalakítását célzó kutatások sorába illik:

– Három nagy csoportja van ezeknek a módszereknek. A skála egyik szélén van a természetes fotoszintézis, a másikon pedig az, amikor napelemmel termelünk áramot, amivel különböző elektrokémiai folyamatokat hajtunk végre; ezt csináljuk például a Science Parkban. A kettő között félúton vannak a fotoelektrokémiai módszerek, ezekben is félvezetőt használunk, mint a napelemeknél, de nem áramot termeltetünk vele, hanem azt érjük el, hogy intenzív megvilágítás hatására a fotoszintézishez hasonló kémiai reakciók játszódjanak le a felületén – mondta az SZTE IKIKK vezető kutatója.

Alapötletük az volt, hogy az elektrokémia és a fotovoltaika elmúlt 15-20 évének mára már ipari alkalmazásokban hasznosult vívmányait a fotoelektrokémia területén vizsgálják meg egy felfedező kutatásban. Az eredmény az első olyan közlemény lett a szakirodalomban, amelyben két nagy értékű elektrokémiai folyamatot, a szén-dioxid átalakítását és a glicerin oxidációját sikeresen párosították egymással nagy áramon és folyamatos áramlású fotoelektrokémiai cellában.

A fotoelektrokémiai módszerek mindeddig az áramsűrűség tekintetében elmaradtak a hagyományos elektrokémiai eljárásoktól. Az SZTE kutatói kísérleteikben 10 Napnak megfelelő fényintenzitással világították meg egy elektrokémiai cella szilícium alapú fotoelektródját.

– Az eddigi fotoelektrokémiai eredményekhez képest mi legalább egy nagyságrenddel nagyobb áramsűrűségeket tudtunk mérni, kevesebb energiabefektetéssel. A nagyobb áramsűrűség a kiindulási anyagunk lényegesen gyorsabb átalakítását jelenti. Minél nagyobb ugyanis az áramsűrűség az elektród felületén, annál több nyersanyagot tudunk hasznos termékké átalakítani – mondta Dr. Janáky Csaba.

A kutatási programban a vizsgált fotoelektrokémiai folyamatokhoz saját elektrokémiai cellát terveztek és építettek. Ebben arra törekedtek, hogy az anódon és a katódon végbemenő két reakciót térben elkülönítsék egymástól, valamint az átalakítani kívánt glicerin oldatát folyamatosan áramoltatva táplálják be a cellába.

Dr. Balog Ádám elmondta, hogy publikációjukban összehasonlították a hagyományosan oxidációs félreakcióként alkalmazott vízoxidációt a glicerin oxidációjával:

– Egy elektrokémiai folyamatban mindig egy oxidációs és egy redukciós félreakció megy párhuzamosan. Ha ezeket a reakciókat térben elválasztva hajtjuk végre, vagyis a két félcella el van választva egymástól, akkor nem utólag kell szétválasztani a két elektródon képződő termékeket, hanem ezek akár egyből fel is használhatók. Az elektrokémiai cellákban a szén-dioxid redukcióját általában a vízoxidációs folyamattal kombinálják. Itt rendszerint az a probléma, hogy a vízoxidációs félreakció használja el a befektetett energia legnagyobb részét. Ezért mi a glicerint választottuk oxidációs félreakcióként, mivel ennek átalakítása jóval kisebb energiabefektetéssel végrehajtható. Miközben a katódon ugyanaz a szén-dioxid redukciós folyamat ment végbe, összehasonlítottuk, mi történik, ha a víz, illetve a glicerin oxidációját végezzük az anódon. A glicerin oxidációja esetén jóval nagyobb áramot tudtunk elérni, és egyértelműen látszott, hogy ehhez kevesebb elektromos energiát kell befektetni. A reakció alapanyaga, a glicerin ezen kívül olcsón rendelkezésre áll; a biodízel gyártásakor melléktermékként keletkezik, és bármiféle oxidációs termék, amit a glicerinből létre tudunk hozni, értékesebb, mint a kiindulási anyag.

Dr. Balog Ádám. Fotó: Kovács-Jerney Ádám

A glicerinoxidáció különféle termékeket, például hangyasavat, tejsavat, glicerin-aldehidet, dihidroxi-acetont eredményezhet, és ezek közül mindegyiknek megvan a maga piaca. Az ipari alkalmazhatóság érdekében a kutatás arra is kiterjedt, hogy a folyamat végén ne egy 10 termékből álló keveréket kapjanak, hanem minél szelektívebben tudják létrehozni a termékek valamelyikét. Az SZTE kutatói azt is megmutatták, hogy a glicerin oxidációjának termékeloszlása azonos áramsűrűség mellett a fotoelektrokémiai forgatókönyvben egészen más, mint a hagyományos elektrokémiai folyamatban; előbbiben ugyanis nagyobb termékszelektivitás érhető el.

A Nature-lapban publikált eredményeikkel a korábbi fotoelektrokémiai vizsgálatokhoz képest – Dr. Janáky Csaba szavaival – teljesen új ligában játszanak: az elért áramsűrűségeken korábban még senki sem végzett fotoelektrokémiai méréseket.

– Egészen más tudományos kérdésként merül fel az, hogy ilyen körülmények között milyen termékek keletkeznek, milyen szelektivitás lehetséges, és mennyire stabil egy rendszer. Alkalmazásorientált kutatást végzünk ugyan, de eközben újonnan felvetődő fundamentális kérdésekre keressük a választ.

Dr. Balog Ádám a csoport kutatólaborjában a saját készítésű cellát bemutatva arról is beszélt, hogy a termékszelektivitás növeléséhez aprólékosan vizsgálniuk kellett a különböző reakcióparamétereket, a cella hőmérsékletét, a betáplált glicerin mennyiségét és az áramsűrűség hatását.

– A publikált vizsgálatokban 10 Napnak megfelelő fényintenzitást alkalmaztunk. A napfény a Földön átlagosan 100 mW/cm² intenzitású, ezt tízszereztük meg egy fókuszáló lencsével. A további kutatások arra fognak irányulni, hogy ezt is megsokszorozzuk. Jelenleg beszerzés alatt van egy még nagyobb teljesítményű napfényszimulátor, amivel már 50 Napnak megfelelő intenzitást is el tudunk érni. Ez további kihívásokkal jár együtt, hiszen a cella erős melegedésével kell majd számolni, és a hőmérséklet a fotoelektród stabilitását, de mint ahogyan a cikkben megmutattuk, magát a szelektivitást is befolyásolja – mondta a fiatal kutató.

Ezekre az Európai Kutatási Tanács (ERC) által finanszírozott felfedező kutatásokra alapozva a Megújuló Energiák Nemzeti Laboratórium programban Dr. Janáky Csaba csoportjából már több fiatal kutató is foglalkozik a glicerinoxidációval. A glicerinből létrejövő termékek témájában a kutatócsoport mostanra ipari partnerrel is együttműködésben áll, és keresi a biodízelgyártás melléktermékeként kapott glicerin energiahatékony átalakításának lehetőségeit.

Paired photoelectrochemical conversion of CO2/H2O and glycerol at high rate, Nature Catalysis , 2024. április 9.
A publikáció szerzői: Balog Ádám, Kecsenovity Egon, Samu F. Gergely, Jie He, Fekete Dávid és Janáky Csaba

Panek Sándor

A borítóképen: Dr. Janáky Csaba és Dr. Balog Ádám, a Nature Catalysis publikáció vezető szerzői. Fotók: Kovács-Jerney Ádám