ELEKTROCHEMIA WCZORAJ I DZIŚ Interdyscyplinarne spojrzenie na nowoczesne trendy we współczesnej nauce
B
adania zjawisk zachodzących na granicy faz elektroda–elektrolit są podstawą elektrochemii – nauki, którą obecnie śmiało możemy nazwać interdyscyplinarną. Zespół Elektrochemii, działający w Zakładzie Chemii Fizycznej i Elektrochemii UJ, na przestrzeni ostatnich 50 lat zmienił swój profil badawczy, stając się przykładem ewolucji tej gałęzi nauki. Początkowa działalność Zespołu skupiała się wokół badania kinetyki procesów elektrodowych w trakcie osadzania i roztwarzania metali (w tym szlachetnych) oraz stopów, procesu samorzutnej redukcji jonów srebra na miedzi metalicznej (tak zwana cementacja). Przedmiotem badań były również praktyczne zastosowania elektrod jonoselektywnych. Pojawienie się nowych technik badawczych otworzyło kolejne możliwości poznawcze. Przykładowo, skaningowa mikroskopia elektronowa umożliwiła obserwowanie morfologii powierzchni elektrod w skali nanometrycznej (1 nanometr to miliardowa część metra) po procesie elektrolizy. Przyczyniło się to do odkrycia ciekawych i unikatowych struktur – nanoporowatych warstw tlenkowych, przypominających swoją budową plaster miodu. Z kolei wykorzystanie licznych technik elektrochemicznych do badania nowo odkrytych nanostruktur (na przykład uporządkowanych układów nanodrutów czy nanoporów), w połączeniu z innymi technikami badawczymi (przykładowo z dyfraktometrią rentgenowską, chromatografią, różnymi technikami mikroskopowymi i spektroskopowymi), umożliwiło dogłębne poznanie takich materiałów. Pozwoliło to na zastosowanie tych materiałów w wielu nowoczesnych dziedzinach, jak sensoryka, elektrokataliza, fotokataliza, energetyka i medycyna.
80
ALMA MATER nr 225
NANOPOROWATE ANODOWE TLENKI METALI I ICH ZASTOSOWANIA W roku 2003 w Zespole Elektrochemii rozpoczęto badania nad zjawiskiem powstawania nanoporowatych warstw Al2O3 na powierzchni glinu podczas jego anodowego utleniania (tak zwanej anodyzacji). Był to początek wieloletnich badań nad procesem anodyzacji glinu oraz innych metali. Okazało się bowiem, że proces elektrochemicznego utleniania (i jednocześnie nanostrukturyzacji i/lub miniaturyzacji) powierzchni folii metalicznych może stanowić punkt wyjścia do niezwykle ciekawych zastosowań wytwarzanych w ten sposób materiałów nanostrukturalnych. Przez długie lata materiałem najintensywniej badanym wśród anodowych tlenków był nanoporowaty tlenek glinu (Al2O3). Początkowo wykorzystywano go do tworzenia warstw dekoracyjnych. Zastosowanie to wydaje się prozaiczne, jednak wykorzystuje ono skomplikowane zjawiska oddziaływania światła z nanoporowatą strukturą, często wypełnioną barwnikami, dając unikatowe efekty optyczne. Ponadto powłoki tego typu wykorzystuje się jako efektywne warstwy antykorozyjne, zwłaszcza w przemyśle lotniczym. W późniejszych latach w Zespole zainicjowano badania nad wykorzystaniem tego rodzaju regularnych nanostruktur tlenkowych jako szablonów. Umożliwiło to opracowanie nowych elektrochemicznych metod otrzymywania uporządkowanych układów nanodrutów metalicznych, półprzewodnikowych, tlenkowych, polimerowych i hybrydowych. W dalszych badaniach skupiliśmy się na praktycznych zastosowaniach tego typu uporządkowanych układów nanodrutów:
do elektrochemicznego usuwania zanieczyszczeń z wody, sensorów elektrochemicznych, w nowoczesnych urządzeniach do magazynowania energii (tak zwanych superkondensatorach i akumulatorach litowo-jonowych), w układach do konwersji energii termicznej na elektryczną (materiały termoelektryczne), a także jako nowoczesne elektrody w procesie elektrochemicznego pozyskiwania wodoru – paliwa przyszłości. W toku prowadzonych badań w Zespole wykazano również, że porowate anodowe tlenki (przykładowo Al2O3) mogą stanowić rusztowanie dla nanostrukturalnych warstw metalicznych, na przykład srebra czy złota. Co więcej, tego typu materiały kompozytowe jak tlenek–metal można z powodzeniem wykorzystać w powierzchniowo wzmocnionej spektroskopii Ramana (SERS). Innym ciekawym zastosowaniem tlenku glinu o złożonej geometrii porów jest wykorzystanie go do konstrukcji rozproszonego reflektora Bragga (urządzenie optyczne stosowane w technice laserowej i światłowodowej). Ponadto tlenek glinu o jednorodnej i periodycznie modulowanej średnicy porów z powodzeniem wykorzystywano także w badaniu dynamiki molekularnej polimerów w ograniczeniu przestrzennym. Warto podkreślić, że unikatowe właściwości elektrochemiczne otrzymanych nanoporowatych warstw tlenkowych i wynikające z nich szerokie spektrum zastosowań stały się podstawą do podjęcia wzmożonej współpracy między Zespołem Elektrochemii a specjalistami z innych dziedzin, pracującymi zarówno w ośrodkach krajowych, jak i zagranicznych. Początkowe badania nad nanostrukturyzacją powierzchni aluminium na drodze elektrochemicznej przyczyniły się do