Rozmowa z drem inż. Pawłem Mazierskim z Wydziału Chemii Uniwersytetu Gdańskiego na temat nowoczesnego wykorzystania nanotechnologii i procesów fotokatalizy.

Bartłomiej Rosenkiewicz, Progress: Na czym polegają prowadzone przez Pana badania dotyczące nanotechnologii?

dr inż. Paweł Mazierski: Interesują mnie materiały (ciała stałe), które wykazują fotoaktywność i jeśli je indukujemy promieniowaniem – czyli działamy na nie promieniowaniem ultrafioletowym lub widzialnym – wzbudzają się, a na ich powierzchni tworzą się aktywne formy tlenu (silne utleniacze). Te aktywne formy tlenu wykorzystujemy do degradacji zanieczyszczeń (w fazie wodnej lub gazowej), do generowania wodoru, zwanego „paliwem przyszłości”, albo do konwersji dwutlenku węgla, który powoduje efekt cieplarniany i zmiany temperatury na Ziemi. Ten „odpadowy” dwutlenek węgla chcemy przekształcić w związki użyteczne, takie jak metan, metanol, aldehyd mrówkowy, które możemy później stosować w przemyśle.

Jaką rolę odgrywa w tym nanotechnologia? Jest to dziedzina skupiająca się na bardzo małych materiałach. Nanometr (1 nm) odpowiada wartości 10⁻⁹ m. Gdy zmniejszamy makroskopowo ciała stałe, wówczas bardzo często uzyskują one nowe właściwości fizyczne i chemiczne, dzięki czemu znacznie podwyższa się wydajność reakcji, o których wspominałem.

B.R.: Czym jest fotokataliza heterogeniczna?

P.M.: W swoich badaniach skupiam się na nanomateriałach, które w głównej mierze wykorzystuję w fotokatalizie heterogenicznej i w reakcjach fotokatalitycznych. Taki materiał indukujemy światłem i gdy zachodzi reakcja degradacji zanieczyszczeń, np. odorantów na powierzchni danego ciała, generujemy aktywne formy tlenu – rodniki hydroksylowe, które utleniają te zanieczyszczenia do form obojętnych dla ludzi.

B.R.: Jak wykorzystuje się nanomateriały, które umożliwiają efektywne przekształcanie energii słonecznej w energię chemiczną?

P.M.: Wyobraźmy sobie materiał widoczny gołym okiem. Jeśli go zmniejszamy do rozmiarów nanometrycznych, to właśnie najczęściej nadajemy mu nowe właściwości, np. wywołujemy tworzenie się na powierzchni nowych grup funkcyjnych lub powodujemy jego selektywność w kierunku jakiejś konkretnej reakcji. Możemy zmienić reakcje z normalnego biegu tak, aby zachodziły w innym kierunku – dzięki temu otrzymamy inny pożądany przez nas produkt. Przykładowo zastosowanie nanomateriałów (nanorurek) powoduje zwiększenie wydajności o 100 proc. Jeśli zmniejszamy dany materiał, jego powierzchnia staje się dużo większa. Uzyskujemy więc znacznie większą powierzchnię potrzebną do tego, by dana reakcja zaszła i by była bardziej wydajna. Głównym materiałem w moich ostatnich badaniach były nanorurki ditlenku tytanu. Bazowałem m.in. na płytkach o wymiarach 4 × 8 cm. Uzyskiwałem na tym materiale nanorurki o średnicy 80 nm i długości 2–3 μm. Powierzchnia zwykłej płytki wynosi 32 cm², ale jeżeli wytworzę na niej nanorurki, to jej wielkość wzrośnie z 32 cm² do ok. 1500 cm² (!). Proszę zauważyć, jak bardzo zwiększa się powierzchnia materiału, na którym zachodzą reakcje fotokatalityczne. To są właśnie główne zalety nanomateriałów.

B.R.: Czym zajmował się Pan na stażach na Uniwersytecie Paris-Sud (Francja), w Instytucie Katalizy Uniwersytetu Hokkaido (Japonia) oraz w Instytucie Katalizy LIKAT (Niemcy)?

P.M.: W Niemczech modyfikowałem nanorurki ditlenku tytanu takimi związkami, jak tlenek palladu, nanocząstki złota, nanocząstki platyny, a następnie wykorzystywałem ten materiał w reakcji fotokonwersji, czyli konwersji dwutlenku węgla do metanu jako paliwa. Wykorzystywałem także mikroskopię elektronową oraz dyfrakcję. W Japonii badałem mechanizm reakcji fotokatalitycznych zachodzący w obecności materiałów, które są zdolne do upkonwersji promieniowania słonecznego. Upkonwersja działa w ten sposób, że jeśli na materiał zadziałamy promieniowaniem o przykładowej długości fali 800 nm, to badane materiały będą zdolne do zamiany tego na promieniowanie UV w zakresie 380–390 nm – i to promieniowanie może następnie wzbudzić materiał fotokatalityczny. Badałem, jak zmienia się wydajność reakcji w zależności od naświetlania materiału pojedynczą długością fali. Poznanie mechanizmów tych reakcji jest ważne; jeśli je zrozumiemy i zidentyfikujemy czynniki odgrywające w nich główną rolę, to będziemy mogli planować przed samą syntezą użycie tych materiałów, które wykażą znacznie większą wydajność fotokatalityczną. Przy okazji stażu w Japonii miałem okazję pracować z prof. Ohtani, guru w dziedzinie fotokatalizy heterogenicznej. Codzienny kontakt i dyskusje z profesorem wiele mi dały.

B.R.: Jak ocenia Pan rozwój nanotechnologii w Polsce?

P.M.: Generalnie nanotechnologia w Polsce rozwija się lepiej, niż wskazywałaby na to ilość przeznaczanych na nią środków. Mamy w kraju kilka dobrych ośrodków, które zajmują się tą dziedziną. Szybko rozwija się także wykorzystanie nanotechnologii w biomedycynie, np. do selektywnego wprowadzania leków do organizmu we wskazane miejsce i kontrolowanego ich uwalniania już w konkretnych lokalizacjach ciała człowieka.

B.R.: Jak można wykorzystać urządzenie do fotokatalitycznego oczyszczania powietrza?

P.M.: Działanie urządzenia polega na tym, że otrzymujemy materiał, który osadzamy na powierzchniach ceramicznych, a następnie naświetlamy promieniowaniem, dzięki czemu na jego powierzchni tworzą się aktywne formy tlenu, m.in. rodniki hydroksylowe. Zanieczyszczone powietrze, które przepływa przez taką warstwę fotokatalityczną, ulega utlenieniu, degradacji. Z tego powietrza eliminowane są mikroorganizmy, wirusy, odoranty. Przez klika lat staraliśmy się – jako Katedra Technologii Środowiska – przenieść ten pomysł z laboratorium na skalę przemysłową, do komercyjnego zastosowania.

Jedno takie urządzenie stoi na kampusie uniwersyteckim UG – jest to wieża fotokatalityczna, która oczyszcza powietrze. Drugi prototyp znajduje się na terenie oczyszczalni ścieków w Chojnicach, gdzie powstaje wiele odorantów (brzydkich zapachów), które są następnie kierowane do naszego urządzenia. Wewnątrz zachodzą procesy fotokatalityczne, w których efekcie powietrze opuszczające urządzenie już czyste. Niedawno otworzyliśmy także start-up, który dostał się do programu akceleracyjnego (poznański Industrial Lab). W ramach tego programu będziemy wykonywali urządzenia fotokatalityczne do oczyszczania powietrza w układach klimatyzacji autobusów Solaris. Staramy się, aby nasze prace laboratoryjne przyniosły efekt – by nie była to tylko „nauka dla nauki” i by przeciętny Kowalski mógł czerpać korzyści z ich efektów.