Projekti / Programi
Razvoj materialov po sol-gel postopkih in njihova uporaba v sistemih za izkoriščanje nekonvencionalnih virov energije (SG-MAT-SYS)
01. januar 2004
- 31. december 2008
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| 2.03.00 |
Tehnika |
Energetika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P352 |
Naravoslovno-matematične vede |
Površinska kemija in kemija tankih plasti |
| P401 |
Naravoslovno-matematične vede |
Elektrokemija |
| P305 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija okolja |
| T155 |
Tehnološke vede |
Prevleke in površinska obdelava |
KEMIJA: sol-gel postopki, nanokompozitni ionski prevodniki, nanokristalinični oksidi, tanki filmi, membrane, fotokatalizatorji, fotokataliza, tanke zaščitne prevleke, premazi, vibracijska spektroskopija, elektrokemija, struktura;
ENERGETIKA: elektrokromni sistemi, Graetzlove fotonapetostne celice, membrane za gorivne celice, premazi za sončne zbiralnike
Raziskovalci (19)
Organizacije (3)
Povzetek
Sol-gel kemijski postopki so se izkazali nepogrešljivi za pripravo različnih materialov, predvsem tankih filmov in prevlek z multifunkcionalnimi lastnostmi, membran in prahov, ki imajo nanokristalinično ali nanokompozitno strukturo. Ti so osnova za nove naprave in sisteme, omogočajo uvajanje novih naprednih tehnologij, rezultirajo pa v produktih z visoko dodano vrednostjo.
Glavno področje raziskav predlaganega programa je sol-gel kemija. Študirali bomo procese, ki vodijo do nastanka solov, gelov in končnih oksidov. Raziskave bomo usmerili v materiale, ki se uporabljajo v napravah in sistemih, ki omogočajo izkoriščanje nekonvencionalnih energetskih virov: fotonapetostnih celic Graetzlovega tipa, gorivnih celic, elektrokromnih sistemov in absorberjev za sončne zbiralnike.
Program, ki ga predlagamo v financiranje, sestavljajo naslednji sklopi:
1. raziskave materialov, ki omogočajo razvoj in izdelavo naprav, ki izkoriščajo nekonvencionalne vire energije. To so novi hibridni elektrokromni (HEC) sistemi, Graetzlove fotoelektrokemijske celice (DSPEC- dye sensitized photoelectrochemical cells) ter gorivne celice.
Za realizacijo tega cilja je ključnega pomena sinteza naslednjih materialov:
(i) nanokompozitnih sol-gel elektrolitov in
(ii) filmov, ki zaradi nanokristalinične strukture in ustrezne mezoporoznosti omogočajo funkcionalizacijo z barvili (derivati rutenijevih kompleksov z bipiridilom za DSPEC in viologeni za HEC).
Ad (i):
Nanokompozitne sol-gel elektrolite bomo naredili iz organskih-anorganskih hibridov (ormosils) z organskimi polimeri, ki so kovalentno ali s šibkimi silami vezani na anorganske (večinoma siliko) skupke. Preplet je možen preko končnih skupin na organskem polimeru z določeno reaktivnostjo in alkoksi skupinami na anorganskem delu (metoksi, etoksi, acetoksi…) (single end-capped precursors) ali pa le preko slednjih (bis end-capped precursors). V tem primeru organski polimer deluje kot vmesnik med končnimi trialkoksisilanskimi skupinami in poskrbi za kompatibilnost matrike hibrida z aktivnimi molekulskimi zvrstmi, namensko vnešenimi v hibrid: kislinami, ki podelijo hibridu ionsko (H+) prevodnost (membrane za gorivne celice); jodom, KI, NaI, LiI, ki tvorijo I-/I3- redoks pare v redoks elektrolitih (za HEC in DSPEC) in s so-topili z visokim tališčem (sulfolan, trietilenglikol, itd) ali/in zanemarljivim parnim tlakom (ionske tekočine- molten salts).
Cilj raziskav je narediti sol-gel prekursorje, ki so primerni za pripravo pol-trdnih (semi-solid state) redoks elektrolitov (za HEC in DSPEC) ter protonsko prevodnih membran (za gorivne celice) brez ali z vključenimi ionskimi tekočinami, sestaviti z njimi celice (DSPEC, HEC) in preveriti njihovo delovanje.
Ad (ii):
(ii.1) TiO2 je nesporno material, ki je najprimernejši za DSPEC in mu bomo posvetili tudi največ pozornosti. Kljub številnim objavam in raziskavam širom po svetu so možne izboljšave. Cilj je, da s pomočjo metode inverznih micel in s templati na osnovi ormosilov naredimo TiO2 filme, ki bodo vezali rutenijeve bipiridil komplekse v večji meri, kot je to znano sedaj. Merilo za to je absorpcija kompleksa, vezanega na film (absorbanca nad 1.5 pri debelini filma 1 mikrometer). Med osnovne raziskave, ki naj bi dale odgovor o interakcijah med barvilom in površino oksida, sodijo spektroskopske raziskave (IR in Raman) oplaščenega in neoplaščenega oksida in ugotavljanje sprememb, do katerih pride pri delovanju DSPEC celice.
(ii.2) TiO2, dopiran z Ag, Au ali Pt in Pd bomo pripravili za študij fotokatalitičnih učinkov, ki jih ima material na nekatere organske polutante, ki se nahajajo v medijih v okolju. Cilj je zasledovati učinkovitost fotokatalize TiO2 in ustrezno dopiranih kermetov ter to povezati s strukturnimi lastnostmi TiO2 filmov. Identifikacijo razpadnih produktov na fotokatalizatorju bomo izvršili s pomočjo hitrega snemanja (rapid scan) IR spektrov (pri kotih oplazenja ali v transmisiji).
(ii.3) Za HEC bomo razvijali WO3 in ustrez
Pomen za razvoj znanosti
Pomen programa je kot prvo v tem, da razširja poznavanje sol-gel materialov, predvsem organsko-anorganskih hibridov. Ti so uporabni za celo vrsto naprav in predstavljajo most med organskimi in anorganskimi materiali. Po svoji strukturi so enoviti, fazne meje med eno in drugo fazo ni, organska in anorganska faza sta med seboj kovalentno povezani. In prav to daje tem materialom posebne, multifunkcionalne lastnosti, ki niso le vsota lastnosti ene in druge faze, temveč predstavljajo sinergijo obeh. (i) V primerjavi s preprostimi sol-gel organsko-anorganskimi hibridi in celo z monofunkcionaliziranimi poliedričnimi oligomernimi silseskvioksani (POSS), predstavljajo multifunkcionalizirani POSS (MF POSS) s strukturo RxRy(SiO3/2)n (x+y = n = 8, 10, 12,...) in RxRyRz(SiO3/2)n (x+y+z = n = 8, 10, 12,...) poseben izziv, predvsem zaradi relativno malega števila že znanih spojin in tudi zato, ker še ni skladnega mnenja o tem, katera od dosedaj znanih sinteznih poti bo tudi v bodoče uporabljana za njihovo komercialno pripravo. Pri sintezi je eden od najbolj perečih problemov, kako zagotoviti MF POSS z zadostno čistočo in vnaprej zagotovljeno sestavo. Nekateri POSS se preferenčno pojavljajo v oktamerni obliki, drugi kot T10 in T12 poliedri (recimo fenil substituirani POSS), medtem ko MF POSS s perfluoro skupinami le redko dajejo enovite poliedre (recimo AP2IO4PF2 POSS). Nesporno je področje MF POSS plodno in obeta možnosti za razširjanje rezultatov, njihovo objavo v odličnih revijah in ne nazadnje tudi ustrezno komunikacijo med laboratoriji po svetu. (ii) Seveda bo za pridobitev podatkov o lastnostih novih materialov, modificiranih z MF POSS, potrebno poseči še po novih analiznih pristopih. Tipičen primer je analiza prevlek s pomočjo infardeče refleksijsko-absorpcijske spektroskopije (IR RA), opravljene v polarizirani svetlobi pri kotih oplazenja, ki je predvsem uporabna za študij antikorozijskih, hidro- in oljeodbojnih in UV absorbirajočih sol-gel MF POSS nanokompozitnih prevlek. Metoda ni trivialna, zahteva obvladovanje IR spektroskopije in ne nazadnje tudi računskih pristopov, s pomočjo katerih lahko iz spektrov izluščimo podatke o strukturi. Je ena redkih analiznih metod, s pomočjo katere lahko ugotovimo, če MF POSS nanokompoziti vodijo to tvorbe samosestavljivih (self-assembled, SAM) monomolekularnih prevlek. Naj omenim, da obstaja le nekaj objav o tem, da POSS tvorijo Langmuir-Blodgettove filme, podatkov o POSS prevlekah na kovinah pa ni. Vpetje učinkovin na različne površine nedvomno predstavlja razširitev raziskav v smereh, ki so sedaj aktualne (zdravje). Med takšne sodi tudi ugotavljanje POSS finišev na bombažni tkanini. Z uporabo tehnike oslabljenega odboja (ATR IR ) nam je uspelo razčleniti sestavo silanskih finišev na bombažni tkanini in opredeliti interakcije med silani in bombažno tkanino. Ta problematika posega v področje študija tekstilnih finišev in predstavlja komercialno in znanstveno zanimivo področje priprave povojev in obvez z antibakterijskim delovanjem. Omeniti moramo še multifunkcionalne premaze v sončni energetiki. Tu gre za tipično sinergijo med znanstveno pomembnimi rezultati in ugotovitvami, ki so na ravni osnovnih znanj ter komercialno uporabnostjo rezultatov. Pomembna novost programa se navezuje na študij UV stabilnosti materialov nasploh, posebno pa tistih, ki so relevantni za solarno energetiko, pri čemer fotovoltaika predstavlja centralni interes enega dela tega programa. Vendar ne gre le za stabilnosti barvil in elektrolitov v organskih fotoelektrokemijskih celicah, temveč je problematika zastavljena širše, na vse materiale, ki so relevantni za sončne naprave, posega pa tudi v okoljske probleme, kjer se navezuje na trajnost pesticidov in škropiv, ki predstavljajo velike obremenitve za okolje. V tem segmentu raziskav so bili doseženi odlični rezultati. Tudi tu gre za posrečeno sklopitev znanstveno zanimivih rezultatov s tržno naravnanimi raziskavami.
Pomen za razvoj Slovenije
Splošen pomen za družbeno-ekonomski in kulturni razvoj Slovenije lahko opredelimo takole: - Pridobitev materialov za nove tehnologije in osnovnih znanj o njih - Zmanjšanje stroškov, ki so povezani z uvedbo novih materialov in tehnologij - Optimizacija tehnoloških procesov glede na ceno in porabo energije - Povečana prijaznost proizvodnje in izdelkov do okolja - Krepitev znanstvene in tehnološke baze Slovenije za hitro izmenjavo znanja in za doseganje skupnih rešitev - Celovita in učinkovita raba razpoložljive raziskovalne opreme skupno z ustreznim znanjem za pridobivanje novih, ciljno usmerjenih znanj, ki lahko pomembno pripomorejo k uvedbi novih, okolju prijaznih tehnologij in uporabi novih materialov. - Širjenje znanja tako v akademskem kot tudi v industrijskem okolju. To še posebno velja za ciljno industrijo tega programa, kot je to premazna industrija (splošna in za tisk še posebej). Specifični in konkretni vplivi, ki jih ima program pa so: - Obvladovanje sol-gel kemijskih postopkov (KI) in iz teh izhajajoči sintezni produkti ter njihova uporaba pri izdelavi premazov za nove polimerne sončne sprejemnike, kot tudi kovinske, ravne in sprejemnike na kondenzirano sončno sevanje, zagotavlja komercialni uspeh cele vrste slovenskih partnerjev, s katerimi sodelujemo. - Glede na trenutno situacijo v solarno termični tehnologiji potrebujemo hitre spremembe, ki bi pripeljale do bolj intenzivnega ogrevanja stavb s sončno energijo. Je trenutno uspešna tehnologija z rastočim trgom, ki izhaja iz dejstva, da se za kar 45 % končnih energijskih potreb za ogrevanje stavb uporabljajo fosilna goriva. V primerjavi s fotovoltaičnimi sistemi sončni sprejemniki dosežejo 3-krat večje izhodne energije na m2 nameščenega sprejemnika. Kot izhodišče za načrtovanje uporabe sončne toplote se je vredno držati napotkov ESTIF Solar Thermal Vision 2030, ki predvideva kot minimalni cilj, da bo vsaka oseba uporabljala vodo, ki bo segreta na osnovi sončnih zbiralnikov. V južni Evropi to pomeni najmanj 0.5 m2 (0,35 kWth) sončnega zbiralnika na osebo, v severni Evropi pa približno dvakrat toliko. Soočamo se torej z izzivom, kako preiti s sedanjih manj kot 20 Mm2 (15 GWth) instaliranih sončnih zbiralnikov na več kot 300 Mm2 (210 GWth) v 22 letih. Sedanji obseg instalacije sončnih zbiralnikov je okoli 3.2 Mm2/leto (2,2 GWth), kar pomeni, da bo treba za doseganje zgoraj navedenega cilja vložiti še veliko napora. V primeru, da poleg segrevanja vode predvidimo še sončno ogrevanje (verjetno združeno s hlajenjem v južnih deželah) v vsaki hiši in stavbi, pa dosežemo končni obseg več kot 1500 Mm2 (1050 GWth) (s ciljem, da delež sončne energije ni manjši kot 50 %). (i) Energetska problematika stavb je prvi in najpomembnejši cilj tehnologij za pridobivanje sončne toplote (ii) Drugi cilj pa je priprava procesne toplote za industrijo Solarni termični sistemi v Evropi niso razporejeni enakomerno. Vodeče države, ki imajo nameščenih več kot 80 % vseh solarno termičnih sistemov v Evropi, so Avstrija, Grčija in Ciper. To zgodbo o uspehu pa je potrebno prenesti tudi v druge evropske države, vključno s Slovenijo, kjer je v tem trenutku instaliranih nič več kot 120.000 m2 sončnih zbiralnikov, kar pa je malo v primerjavi z Avstrijo (3 milijoni m2). - Ne nazadnje, dosedanja vpetost programske skupine v arheološke študije preko arheometalurških raziskav ter sodelovanje (dr. B. Orla) v študijskem procesu na Fakulteti za arheologijo, ki se je odprlo z uvedbo novih bolonjskih programov, bo vsekakor bistveno prispevalo k premoščanju ovir med kemijo, metalurgijo in arheologijo in pripomoglo k ohranjaju kulturne dediščine skozi interdisciplinarne arheometalurške raziskave.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
