Projekti / Programi
Nizko cenovni nanostrukturirani senzorji na osnovi sito tiskanih elektrod za analizno kemijo s katalitsko povišano občutljivostjo
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.01 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
Materiali za elektronske komponente |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P300 |
Naravoslovno-matematične vede |
Analitična kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
elektrokemijski senzorji, elektrokataliza, nanostrukturni materiali, formaldehid, tiskane elektrode, senzorski sistemi, elektronske komponente
Raziskovalci (11)
Organizacije (3)
Povzetek
Projekt predlaga razvoj prenosnega elektrokemijskega senzorja za hitre ‘’terenske’’ analize, (formaldehida kot študijskega primera) za detekcijo organskih spojin. Senzorski sistem bo temeljil na obdelanih tiskanih elektrodah z uporabo 1-D nanostrukturiranih materialov (nanopalčke in nanocevke, osnovanih na cenovno ugodnih kovinah (Ni, Co) in njihovih zlitinah (Ni-Co)). Tak sistem bo kasneje vključen v avtonomne kalibrirane in validirane senzorske platforme z Wi-Fi povezavo, ki se umesti v stopnjo tehnološke pripravljenosti – TRL (4-5).
Formaldehid (HCHO) je zelo pomembna spojina v industriji gorivnih celic in je tudi eden izmed vmesnih produktov oksidacije metanola, ki ima tehnološki pomen v industriji. Poleg vseh teh prednosti ima tudi slabe lastnosti, saj škodljivo vpliva na zdravje ljudi. Do sedaj so se za detekcijo formaldehida uporabljale drage kromatografske in spektroskopske instrumentalne analizne tehnike, ki pa imajo slabost, da so dislocirane od vira ter časovno potratne.
Naša predlagana senzorična platforma predstavlja ugodno in učinkovito alternativo, saj ponuja preprosto in cenejšo ''terensko'' in-situ analizno metodo in hkrati omogoča hitrejše analize.
Dosedaj so se za elektrokemjske raziskave zazanvanja HCHO uporabljale plemenite kovine, ki pa so drage in ne zagotavlajajo zaupanja vredne analize zaradi blokade senzorične površine z intermediati (CO) oksidacije HCHO. Predlagani elektorkemijski senzor bo baziral na uporabi cenovno ugodnih kovin, kot sta Ni in Co ter njunih redoks parov v nano-velikostnem razredu in bo bo deloval po reakciji:
NiO(OH)/CoO(OH) + HCHO® oksidiran HCHO + Ni(OH)2/Co(OH)2
in bo prvič uporabljena za popolno funkcionalno in visoko katalitsko (meja zaznavnosti(0.5 μm) in selektivno HCHO senzorsko platformo kalibrirano in validirano za procese v predlaganih analitskih okoljih.
Dve raziskovalni inštituciji (Inštitut Jožef Štefan (IJS), Inštitut za celulozo in papir (ICP)) in malo podjetje (Inštitut za okoljevarstvo in senzorje (IOS)) bodo prispevali k končnemu projektnemu cilju, ki je operativni senzorj za HCHO preverjen v ključnem okolju (TRL 4-5). Sinteza nanostrukturiranih nanopalčk ali nanocevk bo narejena na IJS-ju in kjer bo elektrokemijsko podprta z najsodobnejšo analizo procesa oksidacije HCHO na sintetiziranih strukturah v tekočinskem presevnem mikroskopu (TEM). Elektrokemijsko nanesene nanostrukture na osnovi Ni, Co, Ni-Co bodo kasneje uporabljene za modifikacijo sito-tiskanih elektrod v sodelovanju z ICP. Sito-tiskane elektrode bodo v nadaljevanju vstavljene v avtonomne senzorske platforme (ICP), saj so kot take idealna podlaga za pripravo tiskanih elektronskih samostojnih senzorjev, ki omogočajo prenos podatkov preko brezžične (Wi-Fi) povezave. Preden bo celotna senzorska platforma popolnoma delujoča v predlaganem okolju, bomo opravili akreditiran kalibracijski in validacijski postopek, ki bo opravljen na IOS-u z dolgotrajnimi izkušnjami na tem področju.
Predlagana visoka raven interdisciplinarnega znanstvenega in strokovnega znanja projektne skupine ponuja edinstveno priložnost razvoja znanstvene odličnosti. Slednjo bomo izkoristili na primeru predlagane razvite nove tehnologije z dodano vrednostjo, ki je ključ za rešitev perečih analitskih problemov. S tem je projekt v skladu s Slovenskimi pametnimi specializiranimi strategijami (S4) v aspektu materialov kot končnih produkto, pametnih mest in skupnosti in tovarn prihodnosti. Tako zagotavljamo matrico za nova znanja uporabna na področjih okolja, raziskav in zaščite javnega zdravstva, energije, industrije in širše. Projekt direktno vpliva na slovensko ekonomijo z premostitvijo srednjih še ne reprezentativnih TRL nivojev (3-6) saj cilja na nivo TRL (4-5), ki bo uresničen preko razvoja naprednih produktov, ki bodo v prihodnosti zagotovili poslovanje Slovenije na evropskih in svetovnih trgih.
Pomen za razvoj znanosti
Naša želja je premakniti meje znanja na področju nanomaterialnih senzorjev, z izkoriščanjem njihovih fizikalnih in kemijskih lastnosti, ki so posledica nano velikosti. Na podlagi novih inovativnih struktur se bo pojavilo novo nišno področje v nanotehnologiji in s tem spodbujene najnovejše raziskave. To bo privabilo vse več ljudi iz prihajajoče generacije znanstvenikov za vstop na to prebojno področje, kar bo dalo slovenski znanosti ugoden položaj. Naš cilj je, da bi raziskovalno odličnost na področjih kemije, kemijskega inženirstva, materialnih in elektrotehniških znanosti, ki se izvajajo na področju nove senzorične tehnologije v Sloveniji, dvignili na višji nivo (Slovenija trenutno kotira kot 17. v EU). Združeni partnerji pri projektu želimo promovirati sodelovanje med fiziko, kemijo, elektrotehniko, okolijskimi in računalniškimi znanosti z ustvarjanjem interdisciplinarne platforme, kjer bodo znanstveniki iz zgoraj omenjenih področij, sodelovali pod okriljem senzorjev za uporabo v industriji, okolju in zdravju. Cilj projekta je , da v prihodnosti povečamo sredstva ERC začenši z izbiranjem najbolj kreativnih doktorskih študentov, katerim bomo z izkušenimi vodilnimi raziskovalci na področju (elektro)kemije, elektrotehnike in znanosti o materialih pomagali z vodenjem in podporo ter pridihom podjetništva. Prednosti bodo vzajemne, saj se bo uspeh prihodnjih ERC nagrajencev izražal tudi na starejših raziskovalcih in jim odprl boljše možnosti pri EU financiranju.
Znanost in tehnologija osvojena s tem projektom, bo aktivno razširjena in licencirana ključnim udeležencem na področju nanotehnologije, ki se ukvarjajo z nanomaterilanimi senzorji visoke dodane vrednosti. S tem bomo izboljšali položaj Slovenije ter okrepili njeno prilagoditv novim konceptov in procesom. Člani združeni na projektu bodo imeli korist od sodelovanja v interdisciplinarni naravi projekta, kar bo dvignilo kvaliteto objav na nivo kriterijev visoko rangiranih znanstvenih publikacij s področja materialov in novih aplikacij s področja senzorjev (Advanced Materials, Advanced Functional Materials, Nano Today, Nature Materials...).Rezultati doseženi tekom projekta bodo izboljšali znanstveno odličnost skupin in njihovo prepoznavnost na evropskem ter na svetovnem nivoju, skozi sodelovanje na naprednih raziskovalnih delavnicah, konferencah in razstavah. Medtem, ko je predlagan projekt usmerjen predvsem na področja povezana z analitsko-kemijskimi senzoričnimi napravami, bo vključena raziskava doprinesla k novim dognanjem na področju kemije materialov in novim napredkom na področju kemijske in biokemijske senzorike, kakor tudi na področjih novih energij kot je kataliza razklopa vode, ki je trenutno ena izmed najbolj vročih tem področja novih obnovljivih energetskih virov.
Pomen za razvoj Slovenije
V letu 2010 je Evropska komisija (EK) objavila mejniško poročilo Nujno Potrebnih Surovin (NPS) za EU, kot odgovor zavedanju globalnega segrevanja, onesnaževanja zraka in s tem povezane trajnostne tehnologije. Platina in njej podobne kovine so problematične, ker je pričakovano, da oskrba z njimi kmalu ne bo več uravnotežena potrebi svetovne ekonomije. Tako je svetovno razvoj usmerjen v materiale, ki so v elektrolizi učinkovitejši in cenejši od žlahtnih kovin, ti pa najdejo tudi splošen znanstveni in širši interes v industriji, kar je tudi glavni cilj našega predloga projekta.
Naslovljena katalitsko-podprta senzorična tehnologija, razvita v okviru tega projekta, predstavlja novo tehnologijo, ki je usmerjena k malim in srednjim podjetjem in je preprosto razširljiva, ter tako odpira poti v različne veje analizne kemije, vključno z oksidacijo metanola, do analize HCHO kot onesnaževala v človeškem okolju. V papirni industriji, ki je v Sloveniji velika, je formaldehid ena izmed omejenih kemikalij. Izvor le-tega v končnem produktu je iz različnih aditivov ali surovin. Preprosta, hitra in ekonomično prijazna metoda za zaznavanje formaldehida v procesu pridelave papirja, je pomembna novost v papirnicah. Rezultati tega projekta so lahko uporabljeni za natančnejšo določitev formaldehida v procesu in končnih produktih. Projekt je tako v skladu s slovensko Strategijo Pametne Specializacije-SPS (S4) v več pogledih: v materialih kot končnih produktih, drugo pa v pametnih mestih in skupnostih. Ob upoštevanju integracije lahko predlagano tehnologijo povežemo s tovarnami prihodnosti in nadaljnje na trajnostni turizem v smeri krožnega gospodarstva.
Kot kaže tržna analiza v Sloveniji obstaja vrzel med osnovnimi raziskavami razporejenimi v nacionalnih inštitucijah (TRL=2) in industrijskimi partnerji (TRL=7), saj je malih in srednjih podjetij ki razvijajo in tržijo senzorje le 4, pa še slednja se v največji meri ukvarjajo z hišno oz. bivanjsko atomatizacijo. S tem predlogom premoščamo to vrzel s pridobitvijo »pogonskega« podjetja v projektni konzorcij. Takšna projektna ekipa jasno kaže sposobnost in zmogljivost razvoja naprednih produktov in poslovanja na evropskem trgu s ciljno skupino 3 ? TRL ? 5.
Projektno znanje bo veliko doprineslo tudi k slovenski kulturi, saj bo projekt stičišče prepletanja interdiscipliniranega znanja. Lokalno ter regionalno okolje bo imelo korist zaradi povišanih znanstvenih pričakovanj in izzivov ter bolj podjetniško naravnanega mišljenja. Predlagani senzorji primarno preizkušeni in validirani primarno za formaldehid omogočajo razširitev na različne analite ter tako predstavljajo ekonomično rešitev za široko paleto aplikacij v medicini, okolju, prehrani in kulturni dediščini z zaznavanjem različnih kemijskih in bioloških agensov, ki vplivajo na staranje kulturne dediščine ter tako pozitivno vplivajo njihovo konzerviranje in restavriranje.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
