Projekti / Programi
Razvoj materialov po sol-gel postopkih in njihova uporaba v sistemih za izkoriščanje nekonvencionalnih virov energije
01. januar 2009
- 31. december 2014
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| 2.03.00 |
Tehnika |
Energetika |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
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 (28)
Organizacije (2)
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
Sol-gel postopki so v zadnjih letih doživeli velik razmah, kar pričajo številne objave. To lahko pripišemo veliki uporabnosti sol-gel materialov, predvsem kot prekurzorjev za izdelavo tankih prevlek z multifunkcionalnimi lastnostmi. Posledično so se zaradi uporabe sol-gel postopkov odprle nove možnosti za teoretične kot tudi za uporabne/praktične raziskave. Med bazična znanja, ki smo jih razvijali, sodi vsekakor izdelava novih postopkov za pripravo poliedričnih oligomernih silseskvioksanov. Postopke smo patentno zaščitili in tako dosegli, da se POSS materiali lahko po naših postopkih izdelujejo tudi v Sloveniji. Za Helios smo to demonstrirali z izdelavo vodo in olje odbojnih POSS aditivov (5 kg), žal pa Helios z njihovo sintezo ni bil pripravljen pričeti na industrijski ravni. Veliko lastnosti sol-gel materialov smo pokazali svetovni javnosti kot prvi: uspešna zaščita kovin proti koroziji s POSS materiali, uporaba POSS (superdiserzantov) za dispergiranje pigmentov za premaze, ki se uporabljajo za sončne sprejemnike, uporaba sililiranih ionskih tekočin za pripravo poltrdnih elektrolitov za Graetzlove sončne celice. Pokazali smo, da novo pripravljeni POSS tvorijo samo-sestavljive (SAM) plasti in da njihova uporaba pri apretiranju bombažnih tkanin daje slednjim super vodo- in olje-odbojne lastnosti. Za vse omenjene materiale smo podrobno ugotavljali njihovo strukturo, medsebojne interakcije in tako razširili razumevanje sol-gel materialov. Do teh rezultatov in ugotovitev smo prišli nenazadnje s sodelovanjem s člani celotne programskega skupine. Posebej v zadnjem letu je bilo uspešno sodelovanje z Univerzo v Novi gorici na področju strukture in lastnosti tankih plasti s fotokatalitskimi in superhidrofilnimi lastnostmi. Delo programske skupine je šlo tudi preko formalnih okvirov, ki ga je določalo financiranje. Posebno uspešno je bilo sodelovanje z Oddelkom za tekstilstvo, NTF (s prof. dr. B. Simončič) na področju pridobivanja novih sol-gel finišev za bambažne tkanine, kjer je naš prispevek k razumevanju interakcij silanov z bombažnimi vlakni naletel na ugoden odziv svetovne znanstvene javnosti.
Pomen za razvoj Slovenije
Nesporno drži, da Slovenija potrebuje prodor na mednarodni trg znanja in uporabo tega znanja v praktičnih izdelkih in materialih. Sol-gel postopki to omogočajo: so poceni, izdelava v industrijskem obsegu je dosegljiva domači industriji, materiali imajo visoko dodano vrednost in lahko nadomeščajo standardne materiale, ki jih industrija v svetu uporablja. Glavna usmeritev programa je bila v uporabo sol-gel materialov za razvoj material, ki se lahko uporabljajo za izdelavo naprav in sistemov za pridobivanje sončne toplote v sončnih sprejemnikih. Razvoj teh materialov smo začeli že leta 1988 (absorberji), razvoj sol-gel postopkov pa leta 1990 (elektrokromni materiali) in v tem času pokazali, da se lahko, vsaj materiale za sončne abosrberje, tudi trži v evropskem merilu. Dokaz je izdelava sončnih absorberjev po coil-coating postopku. Slovenija nima svoje znamke za sončne absorberje, čeprav bi prodan patent nemški industriji to vsekakor omogočal. Za slovensko industrijo smo še najbližje uporabi sol-gel materialov prišli z izdelavo aditivov, ki dvigujejo kvaliteto in s tem ceno premazom, ki jih izdeluje domača premazna industrija (Helios, v zadnjem času pa Chemcolor iz Sevnice). Naše izkušnje so pokazale, da se da osnovna znanja iz kemije prenesti v prakso le v primeru, ko je postavljen trden teoretični in praktični temelj za njihov prenos na industrijski nivo. Program je v veliki meri potrdil, da samo bazična znanost ni dovolj, za potrditev uspešnih osnovnih raziskav je nujen tudi prenos znanja v prakso. To nam je v okviru tega programa tudi deloma uspelo.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2009,
2010,
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
