Projekti / Programi
Hidrotermalna sinteza močno vezanih prevlek fotokatalitičnega TiO2 na kovinskih podlagah
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.01 |
Tehnika |
Materiali |
Anorganski nekovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T153 |
Tehnološke vede |
Keramični materiali in praški |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
ekologija, fotokataliza, TiO2, titanov dioksid, mikroreaktorji, pitna voda, čiščenje odpanih vod, hidrotermalna sinteza, tanki filmi, plasti, obraba, erozija
Raziskovalci (18)
Organizacije (4)
Povzetek
Pri uporabah vezanih na ekologijo, kot je obdelava odpadnih vod, čiščenje zraka in pitne vode, je postal titanov dioksid nepogrešljivi material, ki ima fotokatalitske lastnosti.
Kot praktično vsi nanomateriali, je tudi titanov dioksid v obliki nanometerskega prahu zelo strupen in nevaren ter lahko v veliki meri prispeva k onesnaženju ekosistemov.
Da bi zmanjšali onesnaženje v okoljih, kjer se uporabljajo izdelki in nanoprahu titanovega oksida, je zelo pomembno, da se ga ne uporablja v obliki razsutega prahu, celo ne v boliki suspenzij, ampak trdno vezanega na neki podlagi s čim manjšo možnostjo obrabe in erozije.
Namen predlaganega projekta je priprava močno vezanih oblog iz titanovega dioksida v anatazni kristalni obliki na kovinah z ustreznimi mehanskimi in fotokatalitičnimi lastnostmi. Hidrotermalni proces sam prepreči možno onesnaženje okolja z nano-TiO2 med procesom izdelave. Glavni način, kako pripraviti obloge z visoko adhezijo je priprava goste vmesne plasti med kovinsko podlago in zgornjim TiO2- anataznim tankim filmom s pomočjo hidrotermalne sinteze. Ta vmesna plast ima istočasno vlogo nukleacijske plasti, na kateri bodo zrasli anatazni kristali v drugi fazi priprave s hidrotermalim postopkom.
Osnovne aktivnosti projekta lahko razdelimo v štiri skupine:
- študij tvorbe vmesne plasti na kovinski podlagi
- hidrotermalna sinteza trdno vezane, fotoaktivne TiO2 plasti na vmesni plasti
- izdelava mikroreaktorjev pri katerih bomo testirali fotokatalizo in obrabo oziroma orozijo
- podrobna mikrostrukturna preiskava novih materialov in razlaga mehanizmov in procesov, ki potekajo med samo hidrotermalno sintezo
Zmožnost kontroliranja velikosti TiO2 delcev in njihove oblike ter usmerjenosti bo omogočila krojenje lastnosti glede na nameravano uporabo fotokatalizatorja. Ta know-how bo uporabljen pri industrijskih aplikacijah, kjer bo možno izdelati različne izdelke na osnovi trdno vezanega fotokatalitičnega TiO2.
Rezultati, dobljeni pri raziskovalnem delu znotraj projekta bodo imeli velik vpliv na industrijo. Med raziskovalnim delom v okviru projekta bomo reševali mnoge probleme in našli ustrezno tehnologijo za pripravo trdno vezanih oblog iz titanovega dioksida na kovinskih podlagah s hidrotermalnim postopkom. Po končanju projekta bo logično nadaljevanje prenos dosežkov in znanja v industrijske razmere (upscaling) in razvoj novih produktov na osnovi fotokatalitičnih TiO2 oblog. Ti izdelki bodo lahko čistilniki in sterilizatorji na osnovi ultravijolične ali sončne svetlobe, samočisteče kovinske dekorativne plošče za zaščito hiš, mikroreaktorji za čiščenje odpadnih vod, itd. Uporaba izdelkov pri katerih bomo implementirali trdno vezane TiO2 obloge bo imela pozitiven učinek na ekologijo zaradi minimalne erozije in posledično minimalnega izpusta potencialno nevarnih nano delcev TiO2.
Prednost predlaganega projekta je komplementarna ekspertiza raziskovalnih partnerje z znanji in izkušnjami iz različnih znanstvenih, tehničnih in experimentalnih področij. Projekt bo koordiniral Odsek za nanostrukturne materiale Instituta Jožef Stefan, Ljubljana, ki bo skrbel za sintezo in karakterizacijo materialov. Ostali člani raziskovalne ekipe prihajajo iz tovarne Impol d.o.o., ki je ena od največjih tovarn, ki proizvaja aluminijske izdelke, član skupine je privatni raziskovalec dr. Varužan Kevorkijan, ki je direktor razvojnega dela Impola (Impol R&D, d.o.o.), ki bodo vključeni v pripravo in karakterizacijo aluminijskih podlag in raziskave optimalnih načinov priprave površine. Cinkarna Celje, d.d., kot največji proizvajalec TiO2 v Sloveniji bo zadolžena za raziskave vhodnih surovih in priprave površine podlage iz kovinskega cinka. Odsek za materiale in katalizo Univerze v Portu, Portugalska, zaposluje strokovnjake na področju katalize in meritev fotokatalitične učinkovitosti TiO2 oblog. Med raziskovalci bodo vključeni tudi štirje doktorski študentje (mladi raziskovalci), trije iz Instituta in eden
Pomen za razvoj znanosti
Področja projekta so bila usklajena s prioritetami nacionalnega raziskovalnega programa Republike Slovenije, kot so nanomateriali in nanotehnologije, ekologija in kvaliteta okolja (zemlja, voda, zrak) in zdravje. Ta področja so še posebno pomembna za Slovenijo in zahtevajo razširitev znanja ter znanstvene in ekonomske učinkovitosti. Onesnaženje vod in zraka je pereč problem, ki bo imel resne posledice na zdravje ljudi še v naslednjih generacijah. Tehnologije za čiščenje (odpadnih) vod in zraka se hitro razvijajo, med njimi postajajo tehnologije vezane na fotokatalitične nanomateriale vse bolj pomembne. Spoznanje, da so nanodelci lahko zelo nevarni in zdravju škodljivi je vse bolj intenzivno, zato je nevarnost, da delci, ki jih uporabljamo za čiščenje ostanejo v očiščenem materialu in sami postanejo nevaren onesnaževalec. Znanje, kako trdno vezati fotokatalitične delce na podlago je zato zelo pomembno. Rezultat dela na projektu je novo znanje, ki bo vplivalo na razvoj novih fotokatalitskih materialov za uporabo pri čiščenju vode in zraka. Znotraj projekta je bil razvit nov koncept mikroreaktorjev, ki bi jih lahko uporabili pri čiščenju sekundarnega vodnega kroga na nivoju individualnih hiš. Poleg eksperimentalnega dela pri sintezi novih materialov je bil v projektu poudarek na sistematičnem študiju mikrostrukture vse do atomske ločljivosti z uporabo elektronske mikroskopije in mikroanalize. V projektnem konzorciju so bili poleg raziskovalcev iz Odseka za Nanostrukturne materiale, ki imajo komplementarna znanja iz področja sinteze nanomaterialov, koloidne kemije, mikrostrukturnih preiskav s pomočjo elektronske mikroskopije in mikroanalize, tudi raziskovalci iz Kemijskega inštituta z izkušnjami pri merjenjih fotokatalitičnosti in dizajniranja (mikro)reaktorjev. Poleg raziskovalcev iz inštitutov so bili v konzorciju raziskovalci dveh velikih Slovenskih industrij: Impol, Slovenska Bistrica in Cinkarna Celje. Pri projektu je sodeloval tudi Laboratorij za materiale in katalizo Fakultete za inženirstvo Univerze v Portu na Portugalskem. S svojim znanjem, opremo in izkušnjami s področja fotokatalize so aktivno in kvalitetno prispeval k izvedbi projekta. Glavni rezultati in originalni znanstveni dosežki, pridobljeni z delom na projektu, so bili objavljeni na mednarodnem nivoju v uglednih revijah, ki so zanimive za širši krog znanstvenikov. Raziskovalne skupine, vključene v projekt so objavile osem znanstvenih del v uglednih revijah z visokim faktorjem vpliva, dve vabljeni predavanji na mednarodnih konferencah. Dva sodelavca na projektu sta sodelovala pri oblikovanju novega koncepta mikroreaktorja in sta koavtorja patentne prijave. Znanje pridobljeno na projektu je bilo preneseno v sodelujoče proizvodne organizacije kar je osnova za uspešne bodoče tehnologije in izdelke.
Pomen za razvoj Slovenije
Rezultati, dobljeni pri raziskovalnem delu znotraj projekta imajo lahko velik vpliv na industrijo in ekologijo. Med raziskovalnim delom v okviru projekta smo reševali mnoge probleme in našli ustrezno tehnologijo za pripravo trdno vezanih oblog iz titanovega dioksida na kovinskih podlagah s hidrotermalnim postopkom. Po končanju projekta bi bilo logično nadaljevanje prenosa dosežkov in znanja v industrijske razmere (upscaling) in razvoj novih produktov na osnovi fotokatalitičnih oblog iz TiO2. Ti izdelki so lahko čistilniki in sterilizatorji na osnovi ultravijolične ali sončne svetlobe, samočisteče kovinske dekorativne plošče za zaščito hiš, mikroreaktorji za čiščenje odpadnih vod, itd. Uporaba izdelkov pri katerih bomo implementirali trdno vezane TiO2 obloge bo imela pozitiven učinek na ekologijo zaradi minimalne erozije in posledično minimalnega izpusta potencialno nevarnih nanodelcev TiO2 v okolje. Naslednji pomemben vpliv projekta bi bila izdelava in komercializacija mikroreaktorjev na osnovi trdno vezanega TiO2, ki bi se uporabljali v individualnih hišah za čiščenje zmerno onesnažene vode (z detergenti, milom, nizkimi koncentracijami organskih snovi) s pomočjo sončne svetlobe. Taki mikroreaktorji bi lahko bili integrirani s sončnimi toplotnimi kolektorji v enovit ekološko usmerjen sklop. Tako očiščeno vodo bi lahko uporabljali za zalivanje, pranje avtomobilov, splakovanje stranišč. Z uporabo takih sklopov bi se poraba pitne vode lahko razpolovila. Oba industrijska partnerja (Impol d.o.o in Cinkarna Celje d.d.) sta zainteresirana za nadaljnjo uporabo znanj, pridobljenih v času trajanja projekta. Za pospeševanje in ohranitev globalne ekonomije so potrebne inovativne proizvodne tehnologije, kot npr. razvoj trdno vezanih fotokatalitičnih plasti za uporabo pri okoljsko prijaznih izdelkih. Sodelovanje različnih raziskovalnih skupin znotraj projekta, od katerih vsaka ima dokazana znanja in izkušnje na svojem področju, je omogočilo razvoj novih nanostrukturnih materialov, ki do sedaj še niso bili raziskani. Razvoj in proizvodnja mikroreaktorjev na osnovi trdno vezanih prevlek iz TiO2 za čiščenje vod bi lahko izboljšalo konkurenčnost Slovenske industrije. Diseminacija in prenos znanja med znanstvenimi institucijami in industrijo je bila izrednega pomena pri organiziranosti in upravljanju projekta. Zelo pomembno je, da se industrija aktivno priključi razvojnemu in raziskovalnemu delu institutov in univerz. Po drugi strani pa zaradi tesnega sodelovanju tudi raziskovalci iz institutov dobijo boljši vpogled v kompleksnost in utrip razvojnega dela v industriji. Tovrstno sodelovanje lahko pripomore k odločitvi mladih sposobnih doktorjev znanosti, da bi nadaljevali svojo kariero v industrijskem okolju.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
