– Sam grafen to jedno, możemy potraktować go jedynie jako podłoże do właściwej chemii – mówi prof. Łukaszewicz – Żeby można było go wykorzystywać przemysłowo, trzeba wprowadzić na jego powierzchnię tzw. heteroatomy, czyli atomy nie będące atomami węgla, bo to dopiero one stają się centrami katalitycznymi albo centrami lokalizacji ładunków w urządzeniach elektrochemicznych. Tyle tylko, że zaleta grafenu – to, że jest niereaktywny i stabilny chemicznie, obraca się przeciwko niemu, bo skoro tak, to jak związać z nim heteroatomy?
I na to toruńscy chemicy znaleźli sposób. Wymyślili, żeby aktywować zarówno powierzchnię, jak i czynnik modyfikujący, który ma wprowadzać do grafenu atomy azotu. Łączną aktywację źródła azotu i materiału na bazie grafenu osiągają poprzez naświetlanie promieniami gamma.
– Od razu mówię, że przez to naświetlenie materiał nie staje się radioaktywny – zapewnia prof. Łukaszewicz – To zbyt mała intensywność naświetlania, która nie ingeruje w skład jądra atomowego, jedynie pobudza struktury elektronowe i wywołuje reakcję między dwiema rzeczami, które normalnie ze sobą nie reagują, np. między parami etyloaminy i materiałem grafenowym.
Chemicy zgodnie twierdzą, że wprowadzenie czegokolwiek na powierzchnię grafenu jest skomplikowane. Aby połączyć grafen np. z tlenem, który akurat w zastosowaniach przemysłowych jest niepożądany, ale jest pierwiastkiem bardzo reaktywnym, trzeba zastosować skomplikowaną metodę Hummersa. Należy wykorzystać skrajne warunki utleniające, prace podzielone są na kilka etapów, a w ich trakcie powstaje wiele odpadów zawierających m.in. mangan.
– Nam udało się stworzyć odpowiednie warunki za pomocą promieniowania – mówi prof. Łukaszewicz.
Po co wprowadzać cokolwiek do grafenu? Jest to niezbędny zabieg, ponieważ sam grafen niczego nie katalizuje. Przykładowo, liczba tzw. elektronów transferowych na cząsteczkę tlenu wynosi dwa, a w układzie idealnym musi wynosić cztery. Aby to osiągnąć, trzeba nanieść na powierzchnię grafenu drobinki mikroplatyny w ilości do 20% masy węgla. Koszt pozyskania, zawrócenia do ponownej produkcji, a potem utylizacji platyny są ogromne, a jej zasoby ograniczone. Dlatego naukowcy próbują zastąpić ją azotem, siarką i fosforem. Azot natomiast jest jednym z najbardziej dostępnych pierwiastków, a jego zasoby są niewyczerpywalne. Problemem jest tylko połączenie inertnego chemicznie grafenu z inertnym chemicznie azotem.
– To jest ten nasz drugi wynalazek, który pokazuje, jak konsekwentnie pracujemy nad grafenem – mówi prof. Łukaszewicz.
Za „metodę otrzymywania grafenu domieszkowanego heteroatomami, w szczególności azotu, siarki lub boru z wykorzystaniem promieniowania gamma” prof. Łukaszewicz i dr Kamedulski zdobyli złoty medal podczas tegorocznej edycji Międzynarodowych Targów ARCHIMEDES 2021 w Moskwie.
Prof. Łukaszewicz w konkursie Tango ogłoszonym przez Narodowe Centrum Nauki zdobył również grant na filtry biobójcze.
– To struktury grafenowe, na powierzchnię których będą wprowadzane metale przejściowe pełniące funkcję centrów biobójczych dla bakterii i wirusów – wyjaśnia naukowiec – W ten sposób powstanie substancja aktywna do pochłaniaczy, która jednocześnie będzie zabijała patogeny biologiczne.
Nie tylko prof. Łukaszewicz zajmuje się grafenem na toruńskiej uczelni. Dr Anna Ilnicka z Katedry Chemii Materiałów, Adsorpcji i Katalizy znalazła się na czele listy rankingowej naukowców w konkursie Small Grant Scheme ogłoszonym przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. Zdobyła 899 925 złotych na projekt pt. „Pt-free graphene-based catalysts for water splitting technology as green method for hydrogen production”.
– Chodzi o materiały elektrodowe na bazie grafenu do rozkładu wody – tłumaczy dyrektor ICNT – Woda z wykorzystaniem energii elektrycznej, wspomaganej oświetlaniem promieniami UV, będzie rozkładana na tlen i wodór, nazywany paliwem przyszłości. Wodoru jest mnóstwo, tylko nigdy nie występuje w postaci wolnej, a zawsze związanej. Wracając do marzeń, w efekcie będzie można rozkładać wodę, wodór wykorzystywać jako medium napędowe, które spalając się, będzie z powrotem odtwarzać wodę. Będziemy mogli zbudować zamknięty obieg wodoru bez żadnych produktów ubocznych.
Prof. Łukaszewicz ma jasno sprecyzowane plany badawcze na przyszłość. Chciałby przyłączać kolejne pierwiastki do grafenu, głównie metale, ale nie drogie, szlachetne jak platyna, ale te tańsze, bardziej pospolite, jak żelazo i mangan.
– To mogą być bardzo dobre centra katalityczne na powierzchni materiałów grafenowych – twierdzi naukowiec – Mogą wyprzeć platynę, pallad i inne kosztowne pierwiastki o ograniczonych zasobach.
Marcin Behrendt
Źródło: https://portal.umk.pl/pl/article/marzenia-odklejane-z-wegla
Zdjęcia: Andrzej Romański, UMK w Toruniu. Źródło: Portal Informacyjny UMK – www.portal. umk.pl.
