Serwis Naukowy Uniwersytetu Warszawskiego: Gdyby miał Pan wytłumaczyć laikowi, czym zajmuje się elektrochemia, od czego by Pan zaczął?
Prof. Paweł Kulesza: – Najprościej od tego, co każdy zna: od baterii i akumulatorów. To jednak bardzo duże uproszczenie. Elektrochemia zajmuje się zjawiskami zachodzącymi na granicy chemii i elektryczności: tym, jak to się dzieje, że w wyniku reakcji chemicznej powstaje energia. Albo w drugą stronę, co powoduje, że prąd może „wymuszać” określone reakcje chemiczne.
Wielu osobom elektrochemia kojarzy się z doświadczeniami Luigiego Galvaniego i Alessandra Volty, a więc z początkami badań nad elektrycznością w układach chemicznych. Na Uniwersytecie Warszawskim ta dziedzina też ma długą tradycję. Warto przypomnieć choćby prof. Wiktora Kemulę, uważanego za twórcę polskiej szkoły polarografii, czyli elektrochemicznej metody analitycznej, w której warszawska szkoła miała istotne osiągnięcia.
Dziś elektrochemia to bardzo szeroka dziedzina nauki. Obejmuje klasyczne baterie, akumulatory i ogniwa litowo-jonowe, ale także ogniwa paliwowe, czujniki elektrochemiczne, elektrolizery, kondensatory elektrochemiczne oraz metody syntezy chemicznej, które mogą być bardziej przyjazne środowisku niż procesy przemysłowe prowadzone w wysokich temperaturach i pod wysokim ciśnieniem.
Wspomniał Pan o czujnikach. To chyba mniej oczywiste skojarzenie niż bateria w telefonie czy samochód elektryczny.
– A bardzo ważne. Niedawno, podczas wykładu prof. Josepha Wanga w Stanach Zjednoczonych, uderzyło mnie, jak wiele czujników, z którymi mamy dziś do czynienia, ma w istocie charakter elektrochemiczny. To często proste układy zbudowane z elektrod. Ich działanie może zależeć od materiału elektrody, który decyduje o selektywności, albo od prądu przepływającego przez układ, który staje się miarą stężenia danej substancji.
Takie czujniki można wykorzystywać na przykład do analizy potu, do badań diagnostycznych czy do monitorowania stanu zdrowia. Najbardziej powszechny przykład to pomiar glukozy. Są też koncepcje „elektronicznego nosa”, czyli urządzeń pozwalających rozróżniać zapachy, choć mam wrażenie, że pies będzie długo nie do zastąpienia. To pokazuje, że elektrochemia nie jest tylko nauką o wielkich systemach energetycznych. Jest obecna również w małych, tanich i praktycznych urządzeniach pomiarowych.
A jeśli chodzi o energię: czy elektrochemia jest przyszłością zielonej energetyki?
– Jest teraźniejszością. Widzimy ogromne zainteresowanie nowymi źródłami i sposobami magazynowania energii. Dotyczy to oczywiście akumulatorów, ale również energetyki wodorowej. Wodór może być nośnikiem energii, a w ogniwach paliwowych można z niego uzyskać prąd. Produktem reakcji wodoru z tlenem jest woda, więc z punktu widzenia samego procesu jest to rozwiązanie bardzo czyste.
Samochody zasilane ogniwami wodorowymi już istnieją. Jechałem takim samochodem w Japonii i wrażenie użytkownika jest podobne do tego z do jazdy autem hybrydowym. Różnica polega na tym, że nie mamy klasycznego silnika spalinowego, tylko układ z ogniwem paliwowym, w którym wodór jest nośnikiem energii. To bardzo obiecujący kierunek, ale jeszcze trochę z różnych względów kłopotliwy.
Jedną z tych trudności jest samo pozyskanie czystego wodoru?
– Tak. Jeżeli chcemy rozwijać energetykę wodorową w sposób możliwie czysty, potrzebujemy czystego wodoru. W Polsce wodoru produkuje się przemysłowo dużo, ale często jest on zanieczyszczony, między innymi związkami organicznymi czy tlenkiem węgla. Taki wodór nie nadaje się do ogniw paliwowych, ponieważ „zatruwa” katalizatory.
Jedną z metod otrzymywania czystego wodoru jest elektrochemiczny rozkład wody, czyli elektroliza. W elektrolizerze na jednej elektrodzie, anodzie, zachodzi reakcja prowadząca do wydzielania tlenu, a na drugiej, katodzie, powstaje wodór. Zwykle to wodór jest głównym celem procesu. Tlen najczęściej traktuje się jako produkt uboczny, bo w atmosferze go nie brakuje. Są jednak sytuacje, w których czysty tlen jest na wagę złota. Dotyczy to na przykład okrętów podwodnych i innych zamkniętych systemów, gdzie przez długi czas przebywają ludzie. W takich warunkach trzeba stale uzupełniać tlen zużywany podczas oddychania. Elektroliza pozwala wytwarzać go na miejscu, bez przewożenia dużych zapasów. To dlatego tego typu rozwiązania interesują między innymi wojsko.
Z naukowego punktu widzenia największym problemem przy elektrolizie wody jest uzyskanie reakcji szybkiej, wydajnej i trwałej, zwłaszcza po stronie anodowej, gdzie powstaje tlen. To właśnie trwałość elektrod i katalizatorów bardzo często decyduje o tym, czy laboratoryjny pomysł może mieć zastosowanie praktyczne.
Wodór brzmi atrakcyjnie, ale często wraca pytanie o bezpieczeństwo i magazynowanie.
– To jest bardzo poważny problem. Wodór jest gazem wybuchowym, a jego cząsteczka składa się tylko z dwóch atomów i ma najmniejszą masę oraz rozmiar wśród wszystkich znanych cząsteczek chemicznych. Dlatego potrafi przenikać przez materiały, w tym niektóre metale i dlatego też przechowywanie go wymaga specjalnych zbiorników i bardzo dobrej inżynierii. W samochodach stosuje się odpowiednio zabezpieczone zbiorniki kompozytowe, ale samo napełnianie, transport i magazynowanie wodoru muszą być prowadzone w sposób kontrolowany.
Łatwiej więc wyobrazić sobie autobusy wodorowe obsługiwane w zajezdniach przez wyszkolonych do tego ludzi niż tankowanie wodorem prywatnego samochodu. W zajezdni można lepiej kontrolować procedury, stan instalacji i bezpieczeństwo. To nie znaczy, że samochody wodorowe są nierealne. One już jeżdżą. Chodzi raczej o to, że sama technologia ogniwa paliwowego to tylko część układanki. Druga część to infrastruktura, magazynowanie i bezpieczeństwo.
Elektrochemia może też pomóc w przetwarzaniu dwutlenku węgla?
– Taki kierunek jest intensywnie badany. Dwutlenek węgla to cząsteczka bardzo trwała, dlatego jego chemiczne przekształcanie nie jest proste. W przemyśle wiele procesów wymaga wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia, a więc dużych nakładów energii. Jedna z koncepcji polega na tym, aby redukować dwutlenek węgla elektrochemicznie, w znacznie łagodniejszych warunkach, na przykład poniżej temperatury wrzenia wody. W praktyce może to być 60 czy 80 stopni. Celsjusza, bo układ i tak ogrzewa się podczas przepływu prądu.
Nadal są problemy z wydajnością, ale sens takiego podejścia polega na tym, że można w tym procesie wykorzystać energię ze źródeł odnawialnych, na przykład z paneli słonecznych. Jeżeli energia elektryczna pochodzi z takich źródeł, można ją zużyć do otrzymywania prostych, użytecznych związków chemicznych. To nadal duże wyzwanie, ale już nie wyłącznie akademicka ciekawostka. Takimi procesami interesują się również firmy przemysłowe.
Powiedział Pan, że szczególnie ważny jest dla Pana… amoniak. Dlaczego właśnie on?
– Chodzi o fiksację azotu, czyli otrzymywanie amoniaku z azotu. Azot jest głównym składnikiem powietrza, ale jego cząsteczka jest bardzo trwała. Chemik powiedziałby, że dwa atomy azotu łączy potrójne wiązanie. Żeby mogła zajść reakcja z wodorem, trzeba to wiązanie rozerwać, a to jest energetycznie bardzo trudne.
Przemysłowa synteza amoniaku, znana jako metoda Habera-Boscha, była jednym z najważniejszych osiągnięć chemii XX wieku. Dzięki niej możliwa stała się masowa produkcja nawozów sztucznych, a współczesne rolnictwo w ogromnym stopniu jest od tego procesu zależne. Problem polega na tym, że klasyczne metody wymagają wysokich temperatur, wysokich ciśnień i katalizatorów. Gdyby udało się prowadzić ten proces elektrochemicznie w łagodniejszych, bardziej przyjaznych środowisku warunkach, byłaby to wielka zmiana.
Na świecie istnieją zespoły, które nad tym pracują, ale osiągane przez nie wydajności są wciąż za małe. To jest właśnie fascynujące: wiemy, dlaczego warto to zrobić, rozumiemy część problemów, mamy pewne doniesienia i wyniki, ale ciągle brakuje rozwiązania, które naprawdę działałoby w praktyce.
Pojawia się też mniej oczywisty wątek: amoniak nie tylko jako surowiec do nawozów, lecz także jako sposób… przechowywania wodoru.
– Jeżeli chcemy korzystać z energii słonecznej, wiatrowej czy wodnej, musimy umieć ją przechowywać. Energia z paneli słonecznych może być tania, gdy instalacja już działa, ale niestety słońce nie zawsze świeci wtedy, gdy chcemy. Można ogrzewać wodę, ładować akumulatory, wykorzystywać kondensatory, ale magazynowanie energii na dużą skalę nadal jest trudne.
Amoniak jest ciekawym kandydatem, ponieważ zawiera wodór związany w formie chemicznej. Wzór NH3 oznacza, że w jednej cząsteczce mamy atom azotu i trzy atomy wodoru. Zamiast przechowywać sam wodór w zbiornikach pod wysokim ciśnieniem, można myśleć o związku chemicznym, z którego wodór da się później odzyskać. To oczywiście nie jest technologia gotowa w pełnym sensie. Trzeba dopracować sposób otrzymywania amoniaku, a potem także sposób odzyskiwania z niego wodoru, najlepiej w możliwie niskich temperaturach i przy rozsądnych kosztach.
Dlatego właśnie amoniak jest tak interesujący: z jednej strony pozostaje kluczowym surowcem dla rolnictwa, z drugiej może stać się elementem przyszłego systemu magazynowania energii. Jeżeli udałoby się wytwarzać go w sposób bardziej ekologiczny i wydajny, znaczenie takiego rozwiązania wykraczałoby daleko poza sam przemysł chemiczny.
Co jest trudniejsze: wymyślić nowy materiał, zrozumieć jego działanie czy sprawić, żeby był stabilny i użyteczny?
– Najtrudniejsza i zarazem kluczowa jest ta ostatnia część: stabilność. Oczywiście najpierw musi pojawić się koncepcja. Trzeba mieć układ, który w ogóle działa. Potem naukowiec musi zrozumieć mechanizm: dlaczego działa, co zachodzi na powierzchni materiału, co można poprawić. Dopiero wtedy zaczyna się myślenie o trwałości i zastosowaniu.
Bez stabilności nie ma użyteczności. Bateria, ogniwo paliwowe czy elektroda do rozkładu wody nie może działać tylko przez chwilę w idealnych warunkach laboratoryjnych. Musi pracować długo, przewidywalnie i bez ulegania szybkiej degradacji. Czasem mówi się o materiałach zdolnych do „samogojenia”, czyli takich, które nawet wtedy, gdy ulegną częściowej degradacji, będą potrafiły odtworzyć aktywną strukturę. To bardzo ciekawy kierunek.
W elektrolizie wody trwałość elektrod anodowych jest jednym z zasadniczych problemów. Jeżeli materiał ulega zniszczeniu, rosną koszty. Jeżeli jest to materiał tani, można jeszcze myśleć o jego wymianie lub odzysku. Ale gdy są to platyna, iryd czy rod, problem staje się znacznie poważniejszy. Mamy ograniczone zasoby, wysoką cenę i zależność od źródeł surowców. Dlatego cel jest ambitny: znaleźć układ aktywny, ale jednocześnie wystarczająco trwały.
Po latach pracy naukowej, publikacjach i konferencjach, co w chemii nadal potrafi pana zaciekawić?
– Wiele tematów. Im dłużej pracuję, tym wyraźniej widzę, ile jest jeszcze do zrobienia, do odkrycia. To jest chyba siła napędowa. Na początku kariery badacz często myśli o doktoracie, o konkretnym terminie, o tym, żeby uzyskać wynik. Z czasem coraz ważniejsza staje się jakość pytania i znaczenie problemu.
Interesuje mnie nauka jako taka, wyzwania intelektualne związane z moją dziedziną, ale przyznam, że bardzo mnie satysfakcjonuje, gdy uda się sprawić, że droga od badania i pomysłu do konkretnego wdrożenia jest krótka. Oczywiście, nie zawsze jest to droga usłana różami. Aby osiągnąć sukces najpierw potrzeba wielu ludzi, także praktyków i inżynierów, oraz wielu porażek. W medycynie widać to bardzo dobrze: od odkrycia do leku mija często wiele lat. W technologiach energetycznych też potrzeba czasu. Ale właśnie to, że coś zaczyna działać, że z podstawowego pytania może narodzić się rozwiązanie ważne dla ludzi, bardzo wciąga.
Gdyby miał pan coś radzić młodym ludziom zaczynającym studia, co by to było?
– Pierwsza rada – znajdźcie coś, jakiś temat, który naprawdę pochłania, jest z jakiegoś względu wyjątkowy. Pasja to podstawa. Mam wrażenie, że chemicy mają w tej kwestii łatwiej, bo w chemii bardzo pomaga pokazywanie związku z codziennym doświadczeniem. Studentów interesuje na przykład katalizator samochodowy. Kiedy jest zimno, silnik i katalizator potrzebują czasu, żeby się rozgrzać, dlatego przez chwilę czujemy spaliny. To prosta obserwacja z ulicy, a za nią stoi bardzo ciekawa chemia i ogromny sukces techniki katalitycznej.
Podobnie z wodorem. Młodzi ludzie często słyszą, że wodór wybucha. Ale dlaczego wybucha? Wtedy można wyjaśniać, czym różni się spalanie wodoru od ogniwa paliwowego, dlaczego ogniwo jest wydajniejsze, jakie są problemy z korozją silników, magazynowaniem gazu i bezpieczeństwem. Takie przykłady pokazują, że nauka nie jest oderwana od świata.
Druga rada dotyczyłaby koncentracji. Są osoby, które interesuje wszystko, i to jest bardzo cenne, ale w nauce w pewnym momencie trzeba umieć skupić się na jednym problemie. Dziś jedna osoba nie jest w stanie zajmować się wszystkim tak jak uczeni sprzed dwustu lat. Nauka jest zespołowa, specjalistyczna i wymaga cierpliwości.
Nawet największa naukowa pasja potrzebuje pieniędzy. Trzecia rada brzmiałaby więc prawdopodobnie: trzeba uważnie rozglądać się w poszukiwaniu grantów, programów wspierających czy stypendiów. Nie da się uprawiać nauki bez finansowego wsparcia.
– Zdecydowanie się nie da. Sama pasja i chęci to za mało. Nauka stała się bardzo kosztowna. Drogi jest sprzęt, utrzymanie aparatury, odczynniki, udział w międzynarodowym obiegu naukowym, a także praca ludzi. Dlatego na przykład takie programy jak „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza” są nomen omen bezcenne. To są pieniądze, które dają pewną swobodę i elastyczność, i pozwalają podtrzymać aktywność, jaka nie zawsze mieści się w dużych projektach grantowych, ale jest konieczna, jeżeli uniwersytet chce być obecny w międzynarodowej nauce.
Wszystko kosztuje: udział w konferencjach, organizacja sympozjów, wyjazdy zagraniczne, rozwijanie współpracy międzynarodowej czy podejmowanie nowych tematów przez młodszych współpracowników etc. Nauka nie dzieje się w próżni i niestety wymaga pieniędzy. Dlatego ważny jest realny mechanizm wsparcia naukowców.
Uczelnia Badawcza, czyli 5 pytań do… to cykl wywiadów z badaczkami i badaczami UW, którzy realizowali swoje projekty w ramach programu IDUB – „Inicjatywa Doskonałości – Uczelnia Badawcza”.
