Fotoelektrochemiczna konwersja biomasy - krok w kierunku zrównoważonej syntezy związków chemicznych

Fotoelektrochemiczna konwersja biomasy, nowe oblicze zielonej chemii

W obliczu kryzysu klimatycznego i konieczności redukcji emisji gazów cieplarnianych, naukowcy poszukują metod pozwalających na bardziej efektywną i ekologiczną produkcję wartościowych związków chemicznych. Kluczowym wyzwaniem jest opracowanie takich technologii produkcji różnych substancji chemicznych, które maksymalizują efektywność energetyczną, ograniczają powstawanie odpadów, a takżezmniejszają ślad węglowy. Obiecującym rozwiązaniem wydaje się być fotoelektrochemiczna konwersja biomasy, która łączy wykorzystanie energii słonecznejz elektrochemią w celu uzyskania cennych produktów chemicznych. Nad opracowaniem założeń tej technologii pracuje zespół dr Katarzyny Rybickiej-Jasińskiej z Instytutu Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Prace badawcze są finansowane z programu Fundusze Europejskie dla Nowoczesnej Gospodarki (FENG) w ramach działania FIRST TEAM, realizowanego przez Fundację na rzecz Nauki Polskiej.

Biomasa, czyli materia organiczna pochodzenia roślinnego lub zwierzęcego, jest odnawialnym surowcem o ogromnym potencjale. Może być przekształcana w związki chemiczne wykorzystywane m.in. w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym oraz chemicznym. Dotychczasowe metody konwersji biomasy często są jednak mało efektywne pod względem energetycznym i generują duże ilości odpadów. Nowym, perspektywicznym podejściem do tego zagadnienia jest fotoelektrochemia. Jak działa fotoelektrochemiczna konwersja biomasy?

„Fotoelektrochemia wykorzystuje specjalne elektrody wykonane z materiałów półprzewodnikowych, które po naświetleniu światłem słonecznym generują parę elektron-dziura. Ta para może być następnie użyta do napędzania reakcji chemicznych, takich jak rozkład związków organicznych zawartych w biomasie. Proces ten pozwala na przeprowadzenie reakcji w łagodnych warunkach, zmniejszając zużycie energii elektrycznej i obniżając koszty produkcji” – wyjaśnia dr Katarzyna Rybicka-Jasińska.

Koncepcja fotoelektrochemicznej konwersji biomasy ma ogromny potencjał, ponieważ łączy w sobie dwie funkcje – produkcję energii elektrycznej oraz syntezę związków chemicznych. Wykorzystując energię słoneczną do rozkładu biomasy, można jednocześnie generować energię i przekształcać surowce odnawialne w pożądane produkty. Tego typu podejście może przyczynić się do uniezależnienia przemysłu chemicznego od ropy naftowej oraz znacząco zmniejszyć ślad węglowy procesów produkcyjnych. W ramach badań prowadzonych przez zespół dr Rybickiej-Jasińskiej naukowcy skupiają się na przekształceniu biomasy roślinnej, w tym ligniny i celulozy, w wartościowe półprodukty chemiczne. Lignina, będąca jednym z głównych składników drewna, jest szczególnie trudna do przekształcenia, ale wykorzystaniefotoelektrochemii otwiera nowe możliwości jej rozkładu i syntezy użytecznych związków.

„Pierwszym krokiem w naszych badaniach jest analiza konwersji prostych związków modelowych, które można znaleźć w biomasie. Następnie będziemy opracowywać strategię,pozwalającą na efektywne rozkładanie bardziej złożonych struktur, takich jak lignina czy chityna. Docelowo chcemy opracować system, który pozwoli na precyzyjne sterowanie reakcjami i uzyskiwanie konkretnych związków chemicznych o wysokiej wartości przemysłowej” – mówi dr Katarzyna Rybicka-Jasińska.

Rozwój tej technologii może doprowadzić do stworzenia nowych, ekologicznych metod syntezy przemysłowej, które będą bardziej zrównoważone i mniej szkodliwe dla środowiska. W przyszłości można spodziewać się opracowania innowacyjnych systemów ogniw fotoelektrochemicznych, które pozwolą na szerokie zastosowanie tego rozwiązania w różnych gałęziach przemysłu. Jeśli badania nad technologią fotoelektrochemicznej konwersji biomasy przyniosą oczekiwane rezultaty, może ona stać się jednym z filarów zielonej gospodarki przyszłości.

Dr Katarzyna Rybicka-Jasińska ukończyła studia magisterskie na Wydziale Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, a tytuł doktora (z wyróżnieniem) uzyskała w Instytucie Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Odbyła kilka staży naukowych, m.in: w University of Regensburg w Niemczech (w ramach stypendium iPure Programm), w University of California w Riverside w USA (w ramach stypendium NCN Etiuda) oraz w CalTECH w Pasadenie w USA (w ramach stypendium START FNP). Od 2021 r. pełni funkcję kierownika zespołu XVb w Instytucie Chemii Organicznej Polskiej Akademii Nauk. Autorka ponad 20 publikacji. Obszary badawcze, w których się porusza to przede wszystkim: zielona chemia, fotoelektrokataliza, elektrokataliza i fotokataliza.