Sumarul proiectului:

Conversia energiei solare în energie curată, cum ar fi hidrogenul, este recunoscută ca fiind una dintre cele mai eficiente abordări pentru rezolvarea crizei energetice, în acest sens, fotocataliza fiind considerată ca un vârf de lance al unei astfel de abordări. Cu toate acestea, obstacolul major ce trebuie depășit în acest domeniu este reprezentat de recombinarea electronilor și a golurilor fotogenerate. În acest sens, combinarea MXene-lor cu diverși fotocatalizatori semiconductori a condus la o creștere semnificativă a fotoactivității. Din acest punct de vedere, prin acest proiect, ne propunem să dezvoltăm noi sisteme fotocatalitice care să cuprindă utilizarea compozitelor i-MXene-semiconductor pentru producerea de hidrogen prin reacția fotocatalitică de descompunere a apei. Abordarea proiectului constă în dezvoltarea unor compozite operaționale de pulberi pe bază de i-MXene și materiale fotocatalitice semiconductoare stabile și active, care ar trebui să fie capabile în final să realizeze cu ușurință reacția de producere a hidrogenului pe suprafața lor. Originalitatea acestui proiect constă în îmbogățirea cunoștințelor actuale în domeniul reacției de producere a hidrogenului prin descompunerea fotocatalitică a apei. Trebuie subliniat faptul că, în prezent, nu există niciun studiu publicat în literatura de specialitate care să cuprindă utilizarea de i-MXene ca și co-catalizatori pentru această aplicație.

Obiectivele proiectului:

Obiectivul principal al proiectului MAXIM este de a dezvolta noi sisteme fotocatalitice bazate pe i-MXene stratificate 2D pentru splitarea fotocatalitică a apei. Obiectivele specifice derivate ale proiectului MAXIM sunt:
O1. Proiectarea și optimizarea sintezei sistemelor fotocatalitic active bazate pe i-MXene.
O2. Realizarea unor eficiențe cuantice aparente ridicate pentru producerea de hidrogen prin reactia de splitare a apei.
O3. Evidențierea mecanismului de reacție bazându-ne pe corelațiile dintre caracteristicilor materialelor și performanțele lor fotocatalitice. Un accent special va fi dedicat utilizării studiilor in situ, acordând o atenție deosebită studiului mecanismului de producere de hidrogen prin reacția de splitare a apei și mișcarea electronilor, precum și regenerarea situsurilor active.

Rezultate estimate:

Propunerea urmărește extinderea cunoștințelor existente în domeniul producției de hidrogen prin reacția fotocatalitică de splitare a apei prin introducerea de noi abordări pentru îmbunătățirea dezvoltării de noi compozite pe bază de MXene capabile să transforme direct lumina în energie stocată în substanțe chimice, un subiect fierbinte al acestor zile. Astfel, rezultatele estimate ale proiectului sunt:
- Metode de preparare a compozitelor fotocatalitice pe bază de i-MXene;
- Stabilitatea termică și oxidativă a compozitelor fotocatalitice pe bază de i-MXene;
- Morfologia suprafețelor și proprietățile texturale;
- Metoda de sinteză optimă și reproductibilitatea metodei de sinteză;
- Performanțe fotocatalitice și condiții de realizare eficientă a reacției de splitare a apei cu producere de hidrogen;
- Proprietățile optice, vibraționale și structurale ale compozitelor pe bază de i-MXene;
- Caracteristicile cheie ale compozitelor pe bază de i-MXene care influențează fotoactivitatea;
- Mecanismul reacției de splitare a apei pe compozite bazate pe i-MXene;
- Publicarea a cel puțin două articole în reviste cu factor de impact ridicat (mai mare de 6);
- Participare la conferințe internaționale (cel puțin două participări/an);
- Un brevet de invenție.

Director de proiect: Dr. Ștefan Neațu - Cercetător Științific gradul II

Membrii:

Dr. Florentina Neațu - Cercetător Științific gradul I

Dr. Mihaela Mirela Trandafir - Cercetător Științific gradul III

Dr. Anca Coman - Cercetător Științific

Drd. Maria-Iuliana Chirică - Asistent de Cercetare Științifică

Dr. Andrei Cristian Kuncser - Cercetător Științific gradul III

Drd. Alexandra Corina Iacoban - Asistent de Cercetare Științifică

Etapa I

În cadrul acestei etape a fost prevăzute următoarele activități de cercetare: 1) Sinteza i-MXenelor pornind de la fazele i-MAX; 2) Sinteza compozitelor bazate pe i-MXene. Asigurarea stabilității acestor compozite; 3) Caracterizarea compozitelor pe bază de MXene prin investigarea proprietăților termice, oxidative, morfologice și texturale. Determinarea proprietăților structurale; 4) Verificarea fotoactivității compozitelor pe bază de i-MXene. Asigurarea obținerii unor rezultate fotocatalitice bune prin adăugarea unor cantități mici de metal nobil (Pt, Pd, etc.);  și 5) Diseminarea rezultatelor.

Pornind de la date experimentale prezente în literatura de specialitate, în cadrul acestei prime etape a proiectului s-au preparat mai multe faze i-MAX de tipul Mo_2/3Y_1/3AlC și (W_2/3Sc_1/3)₂AlC. Plecând de la aceste faze i-MAX părinte s-a trecut mai departe la sinteza i-MXenelor de tipul Mo_1.33C, materiale care mai departe au fost folosite pentru obținerea de compozite i-MXene/TiO₂ prin aplicarea unei abordări hidrotermale. Compozitele au fost caracterizate utilizând mai multe tipuri de tehnici de caracterizare, iar performanța lor fotocatalitică a fost verificată în producerea de H₂ prin reacția de splitare a apei. Cel mai performant compozit generează o viteză de producție de hidrogen de peste 500 µmol g^–1 h^–1, care se numără printre cele mai mari valori raportate în literatura de specialitate pe fotocatalizatori pe bază de MXene. Rezultatele obținute deschid noi oportunități în prepararea materialelor foarte active pentru producerea de H₂ prin reacția de splitare fotocatalitică a apei.

Obiectivele au fost îndeplinite integral. Rezultatele detaliate se regăsesc în raportul științific predat Autorității Contractante.

Etapa II

În cadrul acestei etape a fost prevăzute următoarele activități de cercetare: 1) Optimizarea metodelor de sinteză a compozitelor bazate pe i-MXene și caracterizarea acestora; 2) Optimizarea condițiilor de reacție; 3) Testarea în condiții optime a compozitelor bazate pe i-MXene în reacția de splitare fotocatalitică a apei și 4) Diseminarea rezultatelor.

În urma parcurgerii activităților aferente etapei II a proiectului MAXIM au fost evidențiați parametrii critici de sinteză a celor mai promițătoare compozite bazate pe i-MXene. Astfel, s-a putut realiza optimizarea metodelor de sinteză și a condițiilor de reacție astfel încât să se realizeze reacția de splitare fotocatalitică a apei la valori de eficiență cuatică aparentă ridicate. Compozitele au fost caracterizate utilizând tehnici de analiză avansată iar reacțiile fotocatalitice au fost realizate în condiții optime.

Obiectivele au fost îndeplinite integral. Rezultatele detaliate se regăsesc în raportul științific predat Autorității Contractante.

1. “Photo-stable, 1D-nanofilaments TiO2-based lepidocrocite for photocatalytic hydrogen production in water-methanol mixtures”, Hussein O. Badr, Varun Natu, Ștefan Neațu,* Florentina Neațu, Andrei Kuncser, Arpad M. Rostas, Matthew Racey, Michel W. Barsoum,* Mihaela Florea*, Matter 2023, 6, 2853–2869; 10.1016/j.matt.2023.05.026;
2. “A comparative overview of MXenes and metal oxides in clean energy production through photocatalysis”, Mahesh M. Nair, Alexandra C. Iacoban, Florentina Neațu, Mihaela Florea,* Ștefan Neațu*, Journal of Materials Chemistry A 2023, 11, 12559–12592; 10.1039/D2TA08983A;

Ștefan NEAȚU, Doctor în domeniul Chimie

Cercetător științific gradul II

E-mail: stefan.neatu@infim.ro

Departament: Laboratorul de Materiale Catalitice și Cataliză