Projekti / Programi
Ogljikove nanostene za supekondenzatorje prihodnosti
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.09.00 |
Tehnika |
Elektronske komponente in tehnologije |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| T150 |
Tehnološke vede |
Tehnologija materialov |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
ogljikove nanostene, hitra sinteza, CO2 plazma, depozicija, mehanizmi depozicije, superkondenzatorji
Raziskovalci (18)
| št. |
Evidenčna št. |
Ime in priimek |
Razisk. področje |
Vloga |
Obdobje |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
18271 |
dr. Miha Čekada |
Materiali |
Raziskovalec |
2019 - 2022 |
441 |
| 2. |
18635 |
Tatjana Filipič |
|
Tehnični sodelavec |
2019 - 2022 |
24 |
| 3. |
15601 |
Jožko Fišer |
|
Tehnični sodelavec |
2019 - 2022 |
12 |
| 4. |
51483 |
Blaž Kaplan |
|
Raziskovalec |
2019 - 2022 |
0 |
| 5. |
15703 |
dr. Janez Kovač |
Elektronske komponente in tehnologije |
Raziskovalec |
2019 - 2022 |
673 |
| 6. |
52051 |
dr. Dane Lojen |
Elektronske komponente in tehnologije |
Mladi raziskovalec |
2019 - 2022 |
13 |
| 7. |
10429 |
dr. Miran Mozetič |
Elektronske komponente in tehnologije |
Raziskovalec |
2019 - 2022 |
1.353 |
| 8. |
26463 |
dr. Matjaž Panjan |
Elektronske komponente in tehnologije |
Raziskovalec |
2019 - 2022 |
223 |
| 9. |
51482 |
Andrej Petrič |
|
Tehnični sodelavec |
2019 - 2022 |
0 |
| 10. |
06527 |
Branko Petrič |
Električne naprave |
Raziskovalec |
2019 - 2022 |
23 |
| 11. |
33326 |
dr. Gregor Primc |
Elektronske komponente in tehnologije |
Raziskovalec |
2019 - 2022 |
265 |
| 12. |
34451 |
dr. Nina Recek |
Biotehnologija |
Raziskovalec |
2019 - 2022 |
85 |
| 13. |
29669 |
Majda Rus |
Električne naprave |
Raziskovalec |
2019 - 2022 |
0 |
| 14. |
31482 |
Jure Slovša |
|
Tehnični sodelavec |
2019 - 2022 |
0 |
| 15. |
52497 |
Maja Šukarov |
|
Tehnični sodelavec |
2019 - 2022 |
0 |
| 16. |
17622 |
Janez Trtnik |
|
Tehnični sodelavec |
2019 - 2022 |
18 |
| 17. |
20048 |
dr. Alenka Vesel |
Elektronske komponente in tehnologije |
Vodja |
2019 - 2022 |
689 |
| 18. |
50893 |
Matjaž Zupan |
Električne naprave |
Raziskovalec |
2019 |
0 |
Organizacije (3)
Povzetek
Induktivno sklopljena radiofrekvenčna plinska plazma (ICP) se bo uporabljala za hitro nanašanje vertikalno orientiranih grafenskih lističev (v nadaljevanju: ogljikovih nanosten). Struktura bo primerna za izdelavo kondenzatorjev vrhunskih lastnosti. Ogljikove nanostene bomo nanašali iz prekurzorjev, sintetiziranih in-situ v plazemskem reaktorju pri interakciji med reaktivnimi plinskimi delci, ustvarjenimi v zmerno ionizirani plazmi, značilni za ICP v H-načinu. Delovni plin bo ogljikov dioksid. Radikali, kot so O atomi in CO molekule v vzbujenih stanjih bodo reagirali z grafitom, nameščenim znotraj reakcijske komore, pri čimer bodo nastale metastabilne oksokarbonske molekule z velikim razmerjem C/O. Oksokarbonske molekule bodo v reakcijski komori difundirale, dokler ne bodo dosegle substrata, kjer bodo razpadle in tako zagotavljale gradnike za ogljikove nanostene. Želena hitrost rasti bo reda okoli 100 nm/s, kar je več velikostnih redov večje od hitrosti dobljene pri standardni metodi plazemsko pogojene kemijske depozicije iz parne faze (PECVD) s prekurzorjem iz ogljikovodikov. Preučevali bomo lastnosti ogljikovih nanosten glede na parametre razelektritve. Cilj je optimizacija tehnologije za sintetiziranje debelega sloja ogljikovih nanosten z debelino okoli 5 mikrometrov nanešenega enakomerno na površino podlage velikosti približno 100 cm2 v časovnem merilu okoli 10 sekund. Najboljši pogoji nanašanja glede enakomernosti, hitrosti rasti in lastnosti ogljikovih nanosten ter energetske učinkovitosti bodo določeni eksperimentalno. Temeljita karakterizacija vzorcev, deponiranih pri različnih pogojih, bo omogočila ugotovitev korelacije med parametri razelektritve in kinetiko nanašanja. Tudi plazmo bomo sistematično karakterizirali, kar bo omogočilo vzpostavitev korelacije med plazemskimi parametri in lastnostmi nanosov ogljikovih nanosten. Vzorce bomo nadalje obdelali z blago plinsko plazmo, da bi dobili boljše lastnosti površine, vključno z omočljivostjo, ki jo bomo poljubno spreminjali v območju med superhidrofobno in superhidrofilno. Komercialno zanimive rešitve bomo zaščitili s patentno prijavo, znanstvene vidike pa bomo objavili v znanstvenih člankih.
Pomen za razvoj znanosti
Znanstveni preboj je povsem nov pristop k sintezi visoko usmerjenih ogljikovih nanomaterialov. Kolikor nam je znano, ni bilo do sedaj v znanstveni literaturi še nobenega poročila o uporabi metastabilnih plinskih molekul, ki vsebujejo oksokarbone, za sintetiziranje tankih plasti ogljikovih nanosten. Skoraj vsi avtorji uporabljajo CHx radikale za sintetiziranje ogljikovih nanosten. Pričakovani rezultati bodo publikacije v prestižnih multidisciplinarnih revijah z zelo visokim faktorjem vpliva.
Natančneje bomo razkrili povsem nov pristop k nanašanju visoko orientiranih struktur s plazemsko pogojeno kemijsko depozicijo iz parne faze (PECVD). Trenutni pristop zajema vpust plinskih prekurzorjev v reakcijsko komoro, pri čimer v plazmi pride do nastanka želenih radikalov. Radikali se nato kondenzirajo na substratu, kjer tvorijo trdno plast nanosa. Naš pristop je dodajanje preprostega plina (ogljikovega dioksida) v reakcijsko komoro, kjer ga radikaliziramo in omogočimo, da omenjeni radikali (zlasti O in CO) reagirajo s površino segretega grafita, pri čimer se formirajo molekule, o katerih znanstvena literatura zelo redko poroča. Dober pregled oksokarbonov, katerih obstoj so dokazali ter hipotetičnih oksokarbonov, je predstavljen v Wikipediji https://en.wikipedia.org/wiki/Oxocarbon. Dokazali so, da obstajajo linearni ogljikovi dioksidi in monoksidi (kljub temu, da so nestabilni), vendar je malo verjetno, da bodo nastali na površini grafita. Okside grafena so sintetizirali in uporabljali številni avtorji, vključno s člani naše skupine, vendar so trdni in imajo zelo nizek parni tlak pri temperaturah, uporabljenih v naših eksperimentih. Naš predlog je nastanek do sedaj neznanih oksokarbonov, ki se tvorijo na površini grafita in se nato pri povišani temperaturi (med 500 in 1000 °C) desorbirajo s površine grafita. Te desorbirane molekule so v plinski fazi precej stabilne, vendar nato razpadajo na segretih kovinskih površinah, tako da tvorijo ogljikove nanostene.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultati predlaganega projekta bodo našemu industrijskemu partnerju in sofinancerju tega projekta omogočili kritično oceno uporabnosti inovativne tehnologije za nanašanje ogljikovih nanosten v industrijskem obsegu. Če so rezultati v skladu s hipotezo in dosežemo cilj enakomernega nanosa na površini 100 cm2, pridobljenih v času obdelave približno 10 s, bo podjetje vlagalo v nadaljnje industrijske raziskave z namenom razviti napravo za nanašanje ogljikovih nanosten na substrate v neprekinjenem načinu. Družba Iskra Kondenzatorji ima trden tržni delež v določenih vrstah kondenzatorjev - skoraj vsa proizvodnja se izvaža, pomemben trg pa je vzhodna Azija. Podjetje ima ambiciozne načrte za vstop v nišo superkondenzatorjev, katerih tržni potencial je ogromen. Trenutno je trg superkondenzatorjev še vedno majhen nišni tržni segment celotne prodaje v letu 2016, nekaj več kot 400 milijonov USD. Leta 2016 je IDTechEx napovedal rast prodaje do leta 2026 do 2 milijarde dolarjev, letno povečanje za približno 24% https://www.idtechex.com/research/reports/ supercapacitor-technologies-and-markets-2018-2028-000568.asp. Omejitveni dejavnik je zagotovo cena. Tehnologija, ki bo raziskana v okviru predlaganega projekta, obljublja veliko nižje stroške kot pri sedanjih superkondenzatorjih. Kot je pojasnjeno v opisu projekta, bo naša inovativna tehnika uporabila ogljikov dioksid kot delovni plin in grafit kot vir prekurzorjev oksokarbonov, zato bodo materialni stroški zanemarljivi. Glavne stroške pripisujemo električni energiji za napajanje generatorjev RF, vendar pa se bo njihova učinkovitost lahko izboljšala v fazi industrijskih raziskav, ki se bodo, upajmo, začele še pred koncem tega aplikativnega projekta.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo
