Tytuł projektu: Nowe kompozyty modyfikowanych TiO₂ NTs z nano-MOFs do fotokonwersji CO₂ do paliw słonecznych

Numer projektu: 2023/49/N/ST5/01046

Konkurs: PRELUDIUM-49

Kierownik projektu:  mgr Mateusz Adam Baluk

Czas realizacji projektu: 2023-2027

Streszczenie projektu

Wykaz prac opublikowanych w wyniku realizacji projektu:

1. M. Baluk, A. Pieczyńska, M. Kroczewksa, J. Łuczak, K. Matus, K. NIkiforow, A. Zaleska-Medynska, Efficient method for octahedral NH2-MIL-125 (Ti) synthesis: Fast and mild conditions, Chemical Engineering Journal, 492 (2024) 152313, DOI: 10.1016/j.cej.2024.152313
2. M.A.Baluk, P. Jutrzenka Trzebiatowska, A. Pieczyńska, Szkielety metalo-organiczne do zastosowań w zakresie ochrony środowiska, Wiadomości Chemiczne 78,3-4, (2024), 189‐217. DOI:10.53584/wiadchem.2024.03.2
3. M. A. Baluk, D. Makowski, A. Pieczyńska, K. Nikiforow, J. Łuczak, A. Mikołajczyk, K. Hoang, N. Pinna, A. Zaleska-Medyńska, Effects of copper, cobalt, or nickel modification of NH₂-MIL-125 oxide-derivatives on simultaneous photocatalytic pollutant degradation and hydrogen generation from natural seawater, Int. J. Hydrogen Energy 197 (2026) 152491. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2025.152491

Efekty projektu

Publikacja naukowa 1 

Efficient method for octahedral NH2-MIL-125 (Ti) synthesis: Fast and mild conditions

w Chemical Engineering Journal 

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894724038002

Opis popularyzacyjny:

Publikacja opisuje opracowanie szybszej, prostszej i łagodniejszej metody syntezy materiału NH₂-MIL-125(Ti) — czyli tytanowego MOF-u o uporządkowanej, porowatej strukturze i charakterystycznym oktaedrycznym kształcie cząstek. Zamiast klasycznej metody solvotermalnej, która zwykle wymaga wysokociśnieniowego reaktora, temperatury około 150°C i aż 24 godzin syntezy, autorzy zastosowali metodę hot injection, polegającą na szybkim wstrzyknięciu prekursora tytanu do gorącego roztworu zawierającego ligand organiczny.

Najważniejszy wynik pracy jest bardzo praktyczny: nowa metoda pozwala otrzymać dobrze uformowany materiał już po 4 godzinach, czyli około sześć razy szybciej niż w tradycyjnym podejściu. Co więcej, wydajność syntezy była wyższa — uzyskano 1,25 g materiału, podczas gdy metoda solvotermalna dała 0,73 g, czyli około 40% mniej. Otrzymane cząstki miały jednorodny, oktaedryczny kształt i zachowywały kluczowe cechy materiału MOF: wysoką porowatość, krystaliczność oraz zdolność do pochłaniania światła.

Autorzy porównali materiał otrzymany nową metodą z materiałem syntetyzowanym klasycznie. Chociaż próbka solvotermalna miała większą powierzchnię właściwą, oba materiały wykazywały bardzo podobne właściwości strukturalne, optyczne i fotokatalityczne. Szczególnie ważne było to, że materiał otrzymany metodą hot injection dobrze sprawdzał się w modelowym procesie rozkładu fenolu — popularnego zanieczyszczenia przemysłowego. Pod wpływem promieniowania UV–Vis usunął 59,2% fenolu w ciągu 1 godziny, czyli nawet nieco więcej niż materiał otrzymany metodą klasyczną, który osiągnął 56,0%.

Badania mechanizmu pokazały, że za rozkład fenolu odpowiadają głównie reaktywne formy tlenu powstające po wzbudzeniu MOF-u światłem. Innymi słowy, materiał działa jak fotokatalizator: pochłania energię promieniowania, uruchamia reakcje na swojej powierzchni i pomaga przekształcać zanieczyszczenia organiczne w prostsze produkty. Testy stabilności wykazały także, że materiał zachowuje aktywność po kolejnych cyklach pracy, co jest ważne z punktu widzenia potencjalnych zastosowań środowiskowych.

Wniosek z publikacji jest taki, że metoda hot injection może być atrakcyjną alternatywą dla klasycznej syntezy NH₂-MIL-125(Ti): jest szybsza, bardziej wydajna, prowadzona w łagodniejszych warunkach i potencjalnie łatwiejsza do skalowania. Ograniczeniem pozostaje głównie to, że w opisanych warunkach pozwala uzyskać przede wszystkim jedną morfologię — oktaedry. Mimo to praca pokazuje ważny krok w stronę bardziej efektywnej produkcji materiałów MOF do zastosowań w fotokatalizie, oczyszczaniu wody i technologiach środowiskowych.

Publikacja naukowa 2

Effects of copper, cobalt, or nickel modification of NH2-MIL-125 oxide-derivatives on simultaneous photocatalytic pollutant degradation and hydrogen generation from natural seawater

w International Journal of Hydrogen Energy

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0360319925054941

Opis popularyzacyjny:

Publikacja pokazuje, jak można połączyć dwa ważne cele środowiskowe: oczyszczanie wody z trudnych zanieczyszczeń farmaceutycznych oraz produkcję wodoru jako czystego nośnika energii. Autorzy opracowali serię fotokatalizatorów otrzymanych z materiałów typu MOF, opartych na tytanie i modyfikowanych niewielkimi ilościami miedzi, kobaltu lub niklu. Najlepsze właściwości wykazał materiał zawierający miedź, oznaczony jako c-MOF(Ti0.99Cu0.01).

W badaniach sprawdzono, czy taki materiał może jednocześnie usuwać z wody morskiej 5-fluorouracyl, czyli lek przeciwnowotworowy mogący występować jako mikrozanieczyszczenie środowiskowe, oraz generować wodór pod wpływem światła UV–Vis. Najlepszy fotokatalizator osiągnął wysoką aktywność: degradował 5-FU z szybkością 264 μmol g⁻¹ h⁻¹, a jednocześnie produkował wodór z wydajnością 1079 μmol g⁻¹ h⁻¹ w sztucznej wodzie morskiej. Testy z wodami naturalnymi — z Atlantyku, Morza Śródziemnego i Bałtyku — pokazały, że proces działa także w rzeczywistych próbkach, choć jego skuteczność zależy od składu wody, zasolenia, pH oraz obecności materii organicznej.

Ważnym elementem pracy było także wyjaśnienie, dlaczego modyfikacja miedzią poprawia działanie materiału. Wyniki wskazują, że dodatek Cu zwiększa absorpcję światła widzialnego i ogranicza rekombinację ładunków, co sprzyja zarówno reakcjom rozkładu zanieczyszczeń, jak i wytwarzaniu wodoru. Autorzy przeanalizowali również mechanizm przekształcania materiału MOF w tlenkowy fotokatalizator oraz produkty powstające podczas rozkładu związku organicznego i gliceryny użytej jako donor elektronów.

Wnioski z pracy są obiecujące: odpowiednio zaprojektowane materiały pochodne MOF mogą być wykorzystane jako wielofunkcyjne fotokatalizatory, które nie tylko pomagają usuwać zanieczyszczenia z wód, ale jednocześnie umożliwiają produkcję wodoru. Badania pokazują też, że woda morska — zamiast być problematycznym medium reakcyjnym — może stać się użytecznym środowiskiem dla procesów fotokatalitycznych. To krok w stronę technologii, które łączą oczyszczanie środowiska z pozyskiwaniem odnawialnej energii.