Projekti / Programi
01. januar 2015
- 31. december 2019
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P003 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
nanoporozni materiali, mikroporozni materiali, mezoporozni materiali, heterogeni katalizatorji, adsorbenti, napredne oksidacijske metode, čiščenje vode in zraka, predelava biomase, shranjevanje toplote, shranjevanje vodika, zajem in shranjevanje CO2, nosilci zdravilnih učinkovin, NMR v trdem, DFT
Raziskovalci (26)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
20.997 |
Povzetek
Delo v okviru programa bo osredotočeno na razvoj naprednih poroznih adsorbentov in katalizatorjev. Materiali, ki jih bomo proučevali so mikroporozni in mezoporozni silikati in aluminosilikati, mikroporozni aluminofosfati, kovinsko-organski porozni materiali (MOF-i) ter njihovi analogi modificirani/funkcionalizirani s prehodnimi in drugimi kovinami. Premer por v mikroporoznih materialih je od 0.3 do 2 nm, materiali so kristalinični in omogočajo ločevanje molekul z natančnostjo do 0.01 nm (npr. ločevanje plinov). Premer por mezoporoznih materialov je od 2 do 50 nm, ogrodja materialov so amorfna, materiali so zato manj selektivni kot mikroporozni za prehod različnih molekul, vendar večje pore omogočajo uporabo v procesih, kjer sodelujejo makromolekule (npr. predelava biomase). Priprava novih materialov z želenimi lastnostmi bo podprta z natančno strukturno karakterizacijo. Le-ta bo zajemala določitev velikosti in smeri por ter vrsto in položaj aktivnih mest v ogrodjih (t.j. mesto sorpcije molekule, katalitsko aktivno mesto, itd.). Posebna pozornost bo namenjena in-situ raziskavam sorpcijskih in katalitskih procesov v materialih ter in-situ raziskavam kristalizacije materialov, za kar bo potrebno prilagoditi/razviti primerne spektroskopske in difrakcijske metode. Rezultate strukturne karakterizacije bomo nadgradili z računskimi pristopi (modeliranje procesov sorpcije in katalize, izračun energijsko najugodnejših stanj), ki bodo skupaj omogočili boljše razumevanje povezave med strukturnimi in uporabnimi lastnostmi materialov ter boljše načrtovanje sintez. Sintezo materialov, ki bodo zanimivi na laboratorijskem nivoju oziroma bodo ustrezali zahtevanim kriterijem za uporabo, bomo poskušali prenesti na polindustrijski nivo v sodelovanju z dvema ključnima partnerjema, podjetjem Silkem d.o.o. in Cinkarno d.d.. Predlagane raziskave bodo omogočile razvoj cenovno ugodnih in stabilnih materialov za uporabo v okoljsko in energijsko naprednih procesih, kot so oksidacijske metode čiščenja vode in zraka (AOP), predelava biomase v goriva in kemikalije, shranjevanje toplotne energije in plinov, ter razvoj poroznih dostavnih sistemov za nadzorovano sproščanje zdravilnih učinkovin. Najnovejša raziskovalna oprema in znanje bodo predstavljali odlično okolje za izobraževanje doktorskih študentov. Del predlaganih raziskav predstavlja nadaljevanje optimizacije sistemov, ki smo jih uspešno razvijali v preteklem obdobju, del pa temelji na novih konceptih sinteze. Izvedljivost predlaganih raziskav zagotavljajo številne izkušnje in mednarodna prepoznavnosti članov programske skupine na področju nanoporoznih materialov, ter izkušnje pri vodenju domačih in mednarodnih projektov. Prav tako ima predlagana programska skupina kritično maso raziskovalcev, ki zagotavlja uspešno izvedbo načrtovanih raziskav v predvidenem časovnem obdobju.
Pomen za razvoj znanosti
Nanoporozni materiali se že več desetletij uporabljajo na področjih katalize in adsorpcije. Nanoporozni katalizatorji z izoliranimi aktivnimi kovinskimi mesti delujejo podobno kot encimi in so izjemno selektivni ter omogočajo pripravo točno določenih molekulskih produktov v procesih katalitskega krekinga, izomerizacij, ipd. Mikroporozni katalizatorji se uporabljajo pri vrsti selektivnih oksidacij in redukcij pri okolju prijaznih pogojih ter z možnostjo enostavne regeneracije in ponovne uporabe, kar je velika prednost pred homogenimi tekočimi katalizatorji, kot je npr. žveplova(VI) kislina. Kristalinični mikroporozni adsorbenti na drugi strani omogočajo ločevanje plinskih molekul z natančnostjo do 0.01 nm, kar z drugimi poroznimi materiali ni mogoče.
V zadnjih nekaj letih je pozornost raziskovalcev na področju materialov usmerjena v razvoj novih nanoporoznih materialov za uporabo v tehnologijah obnovljivih virov energije. Intenzivno se razvijajo katalizatorji za predelavo biomase v goriva in kemikalije. Pretvorba običajno vključuje tri katalitske procese, vključno s katalitsko pirolizo in deoksigenacijo, pri čemer so kontrolirani zaporedni postopki bistveni za učinkovito in nadzorovano razgradnjo biomase. Za vsak korak je potreben drugačno optimiziran mikroporozni ali mezoporozni katalizator. Težave, ki se pri tem pojavljajo, je uhajanje aktivnih delcev s/iz poroznih matrik pri dolgotrajnejši uporabi, tako da je njihovo stabiliziranje, ključno za nadaljnji razvoj omenjenih tehnologij. S predlaganimi postopki stabilizacije/imobilizacije aktivnih kovinskih specij v/na nanoporoznih materialih, ki je eden od glavnih ciljev predlaganih raziskav v okviru programa, bomo osvojili pomembna nova znanja za nadaljnjo optimizacijo sinteze. Prav tako je ciljan razvoj nanoporoznih adsorbentov ključen za hitrejši razvoj vodikovih tehnologij v avtomobilih in drugih mobilnih aplikacijah. Shranjevanje vodika v trdnih nanoporoznih materialih je trenutno edina oprijemljiva alternativa stisnjenemu in tekočemu vodiku, ki ustreza ciljem DOE (USA Department of Energy) glede volumske in masne kapacitete materiala za shranjevanje. Težave predstavljajo slabše interakcije vodika s površino nanoporoznih materialov, kar bomo v okviru programa poskušali rešiti z novim konceptom priprave, in sicer bomo ogrodja funkcionalizirali s skupinami in atomi, ki bodo omogočali kovalentno vezavo vodika (tvorba hidridnih klastrov). Morebitni novi nanoporozni adsorbenti z zahtevanimi kapacitetami shranjevanja vodika pri sobnih pogojih in s primerno kinetiko bi bili izredno pomembno znanstveno odkritje na svetovnem nivoju, ki bi močno vplivalo na odnos javnosti do uporabe vodika, kot alternativnega goriva. Tretje izjemno pomembno področje raziskav je shranjevanje toplote v nanoporoznih adsorbentih. V preteklem obdobju smo v programski skupini preskušali znane materiale, kot so mikroporozni aluminofosfati in MOF-i na osnovi Zn, Al in Fe, ki so, z določeno stopnjo optimizacije priprave, na laboratorijskem nivoju pokazali zadovoljive kapacitete za vezavo vode in gostoto shranjene energije. Težava se pojavi pri uporabi teh materialov v hranilnikih, saj delovni pogoji v sistemih (tlačne razlike, dosegljive temperature) odstopajo od idealnih pogojev v laboratoriju. Zato so potrebne nadaljnje raziskave v smeri posintetske obdelave nanoporoznih materialov za dodatno zvišanje kapacitete vezave vode ter za izboljšan prenos mase in toplote. Prav tako bomo optimizirali granuliranje materialov, saj lahko vezivo občutno zmanjša kapaciteto shranjevanja, kar smo sami pred kratkim dokazali. Pri raziskavah nanoporoznih materialov za shranjevanje toplote smo eden od vodilnih laboratorijev v svetu, tako da bodo vse nadaljnje izboljšave predstavljale pomemben prispevek k razvoju znanosti.
V svetu potekajo intenzivne raziskave nanoporoznih adsorbentov in katalizatorjev tudi za uporabo v okoljskih aplikacijah. Prva primera sta tehnologiji zajema in ločevanja CO2 (mikroporozni adsorbenti za se
Pomen za razvoj Slovenije
Predlagane raziskave v okviru programa segajo na področja energetike in ekologije, ki se jim v zadnjem času posveča zelo veliko pozornosti. Tako na primer postaja učinkovito shranjevanje toplote eno od primarnih raziskovalnih usmeritev v slovenskem in evropskem prostoru, saj je odločilno za širšo uporabo sončne toplotne energije in odpadne toplote za ogrevanje/hlajenje prostorov in pripravo tople vode, za kar v razvitih državah porabimo polovico vse energije. Če bi kot vir energije za ogrevanje lahko v še večji meri uporabili sončno energijo oziroma odpadno toploto, bi to prineslo daleč največje prihranke pri proizvodnji energije in daleč največje zmanjšanje pri izpustih CO2. S stališča ohranjanja čistega okolja v Sloveniji so raziskave zajema in shranjevanja ogljikovega dioksida, raziskave materialov za čiščenje vode in zraka ter raziskave materialov za predelavo biomase, ključne. Prisotnost organskih onesnažil v odpadnih vodah na primer postaja problem svetovnih razsežnosti, ki bi ga lahko uspešno rešili z učinkovitimi in trajnostnimi AOP nanoporoznimi katalizatorji za razgradnjo toksičnih organskih onesnažil, katerih razvoj smo predlagali v okviru programa. Prav tako je nujno nadaljnje izboljšanje kvalitete predelave biomase v goriva in kemikalije s heterogenimi katalitskimi procesi, kot je tudi predlagano v okviru programa (razvoj učinkovitih a cenovno ugodnih katalizatorjev), saj so trenutni postopki velikokrat ekonomsko nekonkurenčni in/ali niso trajnostni.
Obstoječe in načrtovane aplikativne raziskave bomo v prvi vrsti poskušali izvajati s slovenskimi industrijskimi partnerji, kot sta naša tradicionalna parterja Silkem d.o.o. iz Kidričevega in Cinkarna d.d. iz Celja. Na ta način bo omogočen prenos sinteze najbolj zanimivih materialov iz laboratorijskega na polindustrijski nivo ter nadalje široko uporabo/prodajo na Slovenskem in na tujih trgih. Na ta način lahko izbrana slovenska podjetja izboljšujejo konkurenčnost z inovativnimi izdelki na domačem in tujem trgu. Naše optimistične napovedi temeljijo na izkušnjah uspešne priprave novega zeolitnega adsorbenta na polindustrijskem nivoju v podjetju Silkem (iz 250 ml na 1300L reaktor), uspešnem granuliranju več različnih materialov na pilotni granulacijski liniji v istem podjetju ter uspešni inovaciji s Cinkarno (razvoj vgradnega filtra za čistilce zraka notranjih prostorov za odstranjevanje lahkohlapnih organskih spojin).
Pomemben kazalnik družbeno-ekonomske uspešnosti predlaganega programa je uspešnost izobraževanja mladih. Mladi strokovnjaki, ki so v preteklosti doktorirali v okviru programske skupine Nanoporozni materiali zasedajo pomembna mesta v javnem sektorju in gospodarstvu, tako doma kot v tujini, kar je dokaz za uspešno izobraževalno delo uveljavljenih članov programske skupine v preteklem obdobju ter primerna podlaga za podobno delovanje v prihodnosti.
S predlaganimi novimi in inovativnimi koncepti sinteze, s katerimi želimo izboljšati prenos toplote in snovi v nanoporoznih materialih za hranilnike toplote in toplotne črpalke, doseči učinkovito shranjevanja vodika pri normalnih pogojih, čiščenje vode brez odpadkov, s predlaganim razvojem metod in predlaganjem modelov za načrtovano sintezo materialov z želenimi lastnostmi bomo lahko bistveno prispevali k ugledu slovenske znanosti v svetu. Nove materiale in morebitne nove tehnologije na izbranih področjih bomo lahko uspešno promovirali v evropskem znanstvenem in strokovnem prostoru preko vabljenih predavanj (nekaj jih je že v postopku izvedbe), vabljenih objavah v uglednih strokovnih in znanstvenih revijah (povabilo vodji programa za objavo članka v Chem. Soc. Rev (IF 24)), aktivnih članstvih v primernih združenjih (FEZA, IEA), z organizacijo mednarodnih znanstvenih in strokovnih srečanj na Kemijskem inštitutu oziroma drugje v Sloveniji, idr.
Pričakujemo, da bodo znanje ter opremljenost laboratorija z vrhunsko raziskovalno opremo oziroma dostop do nekatere najmodernejše opreme v svetu, omogočili nemoteno zna
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2015,
vmesno poročilo,
zaključno poročilo
