Sodelava Centra za elektronsko mikroskopijo in mikroanalizo, odseka za Tehnologijo površin in Optoelektroniko ter Kemijskega instituta.
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202308027
KATALITSKA CEPITEV VODE ŽE PRI SOBNI TEMPERATURI?
Ali smo na pragu novega revolucionarnega odkritja? Sodelavci Odseka za Nanostrukturne raziskave Instituta “Jožef Stefan” so pri študiju mehanizma epitaksialne rasti rutilnih fibrov pod vodstvom prof. Aleksandra Rečnika namreč opazili, da ta nenavadni nanostrukturirani material spontano disocira vodo. Kot razkrivajo avtorji tega odkritja, je skrivnost tega pojava v močnih površinskih interakcijah med rutilom in vodo, ki se odvijajo v kvantno strogo omejenem prostoru med fibri v posebni strukturni relaciji. Gre za prvi primer t.i. spontane disociativne interakcije med mineralnimi površinami in vodo, ki odpira novo smer raziskav v katalitski cepitvi vode za rešitev naraščajočih svetovnih potreb po čisti energiji.
Izgorevanje vodika je najbolj čisti vir energije, saj je produkt reakcije voda, pri tem pa se sprosti velika količina energije. Eden od načinov pridobivanja vodika je razklop vode, ki je obratna kemijska reakcija, pri kateri se voda cepi na vodik in kisik. Do termičnega razklopa vode, na primer, pride šele pri temperaturah nad 2000 °C, kar odraža izjemno energetsko zahtevnost te reakcije, zato pridobivanje vodika v postopkih cepitve vode danes pokriva le 4% vseh svetovnih potreb. Po drugi strani pa v naravi poznamo proces fotosinteze, kjer se cepitev vode z nekoliko drugačnimi produkti odvija že pri atmosferskih pogojih. Ob tem se poraja vprašanje, s katerim se znanstveniki ukvarjajo že več kot 50 let, in sicer, ali je mogoče najti učinkovit katalitski proces, katerega produkt bi bil vodik.
Kako je prišlo do odkritja? Začetki raziskav segajo v leto 2014, ko je doktorandka Vanja Jordan pod mentorstvom prof. Aleksandra Rečnika na odseku za Nanostrukturne materiale pričela s študijem samourejanja in rasti rutilnih fibrov iz hidrotermalnih raztopin. V seriji sintez, s katerimi je skušala na rutilnih kristalih inducirati dvojčenje, je dobila nenavadne fibraste strukture, ki so postale nadvse zanimive zaradi njihove nepričakovane strukturne translacije. Za zamike med fibri dolgo ni bilo pametne razlage, dokler se v študijo štiri leta kasneje ni vključila še dr. Vesna Ribić z Univerze v Beogradu, ki je pričela z sistematičnim modeliranjem in kvantno kemijskimi izračuni hidroksilizacije površin in mehanizmov transfera protonov, dokler ni prišla do končne rešitve, ki je dala odgovor na opažene strukturne zamike med fibri. Še več, pokazalo se je, da voda, prisotna med takšnimi fibri z zamiki spontano disociira, medtem ko na fibrih brez zamikov ostane inertna. Tako so naši znanstveniki prvi v svetu s kvantno–kemijskimi izračuni pokazali nedvomno zvezo med strukturno translacijo med fibri in disociacijo vode, ki je prvi trden korak v razvoju postopka cepitve vode po katalitski poti. Pri delu so sodelovali še dr. Janez Kovač z Odseka za Tehnologijo površin in Optoelektroniko, dr. Sandra Drev iz Centra za Elektronsko Mikroskopijo in Mikroanalizo in prof. Goran Dražić s Kemijskega Instituta, ki so vsak s svojo ekspertizo pomembno doprinesli k razumevanju površinskih lastnosti in strukturne translacije rutilnih fibrov.
Zavedajoč se pomembnosti odkritja so avtorji svojo raziskavo poslali v objavo v eno najbolj prestižnih znanstvenih revij s področja materialov Advanced Materials založbe Wiley. Uredniški odbor revije je spoznal pomembnost odkritja in rokopis članka nemudoma poslal v pregled vodilnim znanstvenikom na področju cepitve vode, ki so v svojih recenzijah članek izjemno dobro ocenili in predlagali nekaj dodatnih meritev, ki so potrdile napovedano funkcionalnost materiala. Članek z naslovom ‘Mnemonic rutile–rutile interfaces triggering spontaneous dissociation of water’ je bil ob objavi uvrščen v kategorijo ‘Editor’s choice’ ter ‘Hot topic’ na področju fotokatalitskega cepljenja vode.
Delo je v celoti rezultat raziskav slovenskih znanstvenikov.