Arhitecturi inovative de electrocatalizatori din cupru pentru reactia de reducere a CO2

Coordonator proiect: Universitatea din Bucuresti prin Facultatea de Fizica, Centrul de Cercetare 3NANO-SAE Universitatea din Bucureşti, cea mai mare şi prestigioasă instituţie academică, are peste 140 de ani de experienţă şi expertiză în educaţie şi în cercetare, recent primind titlul de “Universitatea cu activitate de cercetare cea mai intensă”. În 2007, un sondaj al revistei “The times Higher Education Supplement” a plasat Universitatea din Bucureşti în top 500 cele mai prestigioase universităţi. Organizată în Facultăţi şi Departamente, îşi desfăşoară activităţile pe trei programe de studii, programe de Master (117) şi 21 de şcoli doctorale cu 300 de supraveghetori şi 3000 de doctoranzi. Centrul de Cercetare-Dezvoltare 3Nano-SAE, situat în Facultatea de Fizică, department cu activităţi de cercetare în biosenzori, nanoelectronica, tehnologia pilelor de combustie, sisteme de hidrogen, sisteme de energie hibride, coordonator al Şcolii Doctorale şi a Şcolii Postdoctorale Pile de Combustie şi Stocare de Hidrogen . Infrastructura este alcatuită din laboratoare: testarea de pile de combustie, generarea şi stocarea de hidrogen, pile de biocombustie, ingineria sistemelor de energie hibride, caracterizarea de materiale (Charm), Chimia Plasmei, Fotorezisti, şi tehnologia printării polimerilor (PCPT), chimie avansată de sinteză şi depunere a polimerilor (APSC). Exista facilităţi extinse şi unice în campusul din cadrul Facultăţii de Fizică necesare pentru a îndeplini sarcinile de cercetare propuse acoperind metode de sinteză, procesare, şi caracterizare de materiale cum ar fi semiconductori, polimeri, nanocompozite. Interesele de cercetare includ nanomateriale conveţionale şi inovatoare, structuri şi dispozitive necesare în proiectarea de pile de combustie, senzori (chimici, electrochimici) care acoperă tehnici şi metode de polimerizare în plasmă, polimerizare electrochimică, fluide supercritice, sol-gel, materializate într-o mare listă de proiecte/colaborări: 9 proiecte internaţionale şi 35 de proiecte naţionale.

Director de proiect: 

Dr. Adriana Balan, Lector/CSIII, Facultatea de Fizică, Universitatea din București, titlul de Doctor în Fizică obținut în anul 2011.  Este co-fondator al Centrului de Cercetare 3Nano-SAE și coordonează activitatea de cercetare a studenților în cadrul programului de master Surse de Energii Regenerabile și Alternative, în cadrul Facultății de Fizică. Experiență profesională în activitatea de cercetare: materiale compozite polimerice, carbonice cu aplicații în dispozitive electrochimice- pile de combustie, metode de caracterizare materiale- microscopie de forțe atomice, analize termice, electrochimie. Participă în implementare proiectului internațional ”Metode inovative de învățare pentru viitorii specialiști în energii regenerabile” care are ca obiectiv crearea unei platforme educaționale între Universitatea Reykjavik și Universitatea din București și mobilități inter-universitare în vederea formării viitorilor specialiștilor în energie regenerabilă. A fost director sau responsabil de proiect în cinci proiecte de cercetare naționale și a participat în 15 proiecte ca membru în echipă. Este co-autor a patru brevete naționale, a publicat 57 de lucrări ISI, cu peste 500 de citări, indice Hirsh 13 (http://www.researcherid.com/rid/B-7331-2011).

Membrii echipei: 

Drd. Cornelia Diac, vârsta: 28 ani, Doctor în Fizică (2017-2021)Pe parcursul studiilor de doctorat am acumulat o bogată experiență în gestionarea și desfășurarea activităților de proiect, unde am reușit să parcurg teme de cercetare în domeniul electrochimiei și al proceselor de solubilizarea chimică și electrochimică. Am dobândit cunoștințe semnificative în procesele electrochimice și am învățat să lucrez pe un grup mare de dispozitive, care sunt folosite și în cadrul acestui proiect: Potențiostat/galvanostat electrochimic, Spectroscopia de emisie optică cu plasmă cuplată inductiv (ICP – OES), Raman, Spectroscopie UV – Viz, Analiza CHNS, Analiza termogravimetrică (ATG).

Drd. Tom Iacob, student doctorand al Facultăți de Fizică a Universității din București, studiază posibilitatea reducerii de CO₂ cu ajutorul microorganismelor. Deține diploma de masterat de la Facultatea de Fizica cu titlul lucrări: Sisteme bioelectrochimice. Elaborarea unei metode de lucru pentru determinarea potențialului redox a culturii bacteriene. El a lucrat mai mult de doi ani la Institutul de Biologie al Academiei Române în cadrul departamentului de microbiologie și are experiență în monitorizarea bacteriilor în sisteme bioelectrochimice și pile de combustie microbiene. De asemenea are cunoștințe în lucru cu spectrometre UV-vis, potențiostate, tehnica ICP-oes și generatorul de plasmă cu radiofrecvență.

Drd. Bogdan Ciprian Mitrea

student doctorand al Facultății de Fizică din cadrul Universității din București, a prezentat interes pentru tehnologia pilelor de combustie încă din timpul studiilor de licență, absolvind cu lucrarea: “Determinarea eficienței pilelor de combustie” și continuând la masterat cu teza: “Asamblarea și testarea fotoelectrozilor cu g-C 3 N 4”. În prezent se ocupă cu studierea proceselor de reducere a CO2 cu ajutorul pilelor fotoelectrochimice prin îmbunătățirea eficienței fotocatalizatorilor în reacțiile de tip redox, respectiv analizează eventualele aplicații ale nanoparticulelor în creșterea și dezvoltarea
plantelor. Până în prezent a acumulat cunoștințe în utilizarea potențiostatului electrochimic, Spectroscopie UV-viz, polimerizarea în plasma de curent-continuu (DC), tratarea semiconductorilor în plasma de O 2 , depunerea de filme subțiri prin metoda pulverizării, microscopie optică.

Prof. Univ. Dr. Ioan Stamatin, în cadrul Facultății de Fizică, Universitatea din București. Domenii de expertiză: convertori electrochimici (pile de combustie, baterii); eco-nanotehnologii; sinteza nanomaterialelor; polimeri, biopolimeri, bio-nanotehnologii; aplicații printare 3D, stocare energie (supercondensatori, baterii, senzori); electrocatalizatori pe bază de platină utilizați în celulele de combustie; senzori și metode electrochimice pentru detecția diferitelor soluții de analit; caracterizarea fizico-chimică a materialelor prin spectroscopie (UV-Vis, FT-IR ATR, Fluorescență); microscopie optică; tratamente cu ultrasunete. A publicat 155 de lucrări științifice; brevete indexate în baza de date internațională Derwent: 14; a coordonat si evaluat ca referent 28 teze de doctorat. Lider de proiect în 7 proiecte și ca membru al echipei în alte 20 de proiecte de cercetare; mai bine de 1700 de citări. , h-index 24 (ISI Web of Science). Link personal: https://www.brainmap.ro/ioan-stamatin

Scopul proiectului este obținerea de structuri noi de straturi de oxid nanostructurat și suprafețe poroase cu morfologie controlata pe Cu policristalin folosind plasma de oxigen și hidrogen. Proiectul își propune să ofere o mai bună înțelegere mecanismelor si a proceselor ce au loc in centrii activi in reacția de reducere foto- electrochimica a CO2.

Indicatori:

– min 2 lucrări științifice publicate in jurnale indexate ISI,

– 2 lucrări de conferință / poster

– 1 cerere de brevet pe baza cunoștințelor acumulate în timpul implementării proiectului.

Etapa I Proiectare si realizare dispozitiv de testare. Sinteza materiale nanostructurate (data de finalizare 31.12.2021)

În cadrul Etapei I/2021 au fost testate și caracterizate mai multe structuri de Cu cu ajutorul unei noi configurații de celulă fotoelectrochimică. Materialele obținute au fost caracterizate din punct de vedere morfo-structural și fizico-chimic folosind următoarele metode: microscopie de forțe atomice (AFM), microscopie electronică de baleiaj (SEM), spectrofotometrie UV-Viz și Raman, măsurători electrochimice (voltametrie ciclică, spectroscopie de impedanță electrochimică). Rezultatele obținute demonstrează potențialul acestor catalizatori pe bază nanostructuri de Cu în vederea reducerii electrochimice a CO₂. În etapa următoare vor fi continuate studiile pentru obținerea de diverse nanostructuri pe bază de Cu prin procese de activare în plasmă și optimizarea procesului de conversie a CO₂, conform planului de activități.

Etapa II. Studierea proceselor foto-electrochimice de reducere a CO2- I (data de finalizare 31.12.2022)

În cadrul etapei 2 – Studierea proceselor foto-electrochimice de reducere a CO₂ – s-a  optimizat procesul de sinteză a foto-electrocatalizatorului prin anodizare, rezultând un protocol repetabil pentru obținerea catalizatorului. De asemenea, a fost pus la punct un sistem mecanizat pentru tratarea fotocatalizatorului în jet de plasmă în atmosferă deschisă. Probele rezultate au fost investigate din punct de vedere morfologic prin microscopie de forte atomice. Apoi, au fost studiate procesele foto-electrochimice de reducere a CO₂-ului de către catalizatorii pe bază de cupru, prin metode electrochimice specifice (cronoamperometrie și voltametrie ciclică). Produșii rezultați în procesul de foto-electrocataliză au fost analizați cu ajutorul spectrometriei FT-IR și a fost pusă astfel în evidență prezență compusului formiat de sodiu ca rezultat al reacției dintre acidul formic (produs in procesul de reducere a CO₂-ului) și carbonatul de sodiu (din soluția electrolit). Straturile de catalizatori au fost analizate morfologic atât înainte, cât și după efectuarea testelor de fotoelectrocataliză, pentru determinarea rugozității medii.

Etapa III. Studierea proceselor foto-electrochimice de reducere a CO2- II (data de finalizare 31.05.2023)
A fost optimizat protocolul pentru tratamentul în plasma de O2, pe baza căruia s-a sintetizat un fotocatalizator cu nanostructuri de Cu. Următorul pas a constat în caracterizarea acestuia din punct de vedere al proprietăților foto/electrochimice (Cronoamperometrie, Voltametrie ciclică și Mott-Schottky) și morfologice (SEM). Prin intermediul tehnicilor calitative și cantitative, spectroscopie FTIR și metoda titrării, s-a determinat prezența și cantitatea produsului de reacție (HCOOH) obținut în urma procesului de reducere a CO2. De asemenea, au fost evaluate eficiența cuantică (eficiența de conversie a fotonilor în electroni) și eficiența Faradaică. Rezultatele obținute în cadrul acestei etape au fost diseminate astfel: 3 prezentări orale la conferințe naționale și 1 cerere de brevet înregistrată la OSIM.