Projekti / Programi
01. januar 2020
- 31. december 2027
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.00 |
Naravoslovje |
Kemija |
|
| 2.04.01 |
Tehnika |
Materiali |
Anorganski nekovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P003 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
nanoporozni materiali, mikroporozni, mezoporozni, heterogeni katalizatorji, fotokatalizatorji, adsorbenti, kompoziti, AOP, čiščenje vode in zraka, predelava biomase, shranjevanje toplote, zajem in pretvorba CO2, NMR v trdem, PDF analiza, NMR kristalografija, računski pristopi;
Podatki za zadnjih 5 let (citati za zadnjih 10 let) na dan
28. junij 2024;
A3 za obdobje
2018-2022
| Baza |
Povezani zapisi |
Citati |
Čisti citati |
Povprečje čistih citatov |
| WoS |
431 |
11.458 |
10.567 |
24,52 |
| Scopus |
428 |
12.238 |
11.310 |
26,43 |
Raziskovalci (23)
Organizacije (1)
| št. |
Evidenčna št. |
Razisk. organizacija |
Kraj |
Matična številka |
Štev. publikacijŠtev. publikacij |
| 1. |
0104 |
Kemijski inštitut |
Ljubljana |
5051592000 |
10 |
Povzetek
Delo v okviru programa bo obsegalo razvoj naprednih nanoporoznih adsorbentov in katalizatorjev za energijske in okoljske aplikacije. Materiali, ki jih bomo proučevali so mikroporozni silikati, aluminosilikati in aluminofosfati, kovinsko-organski porozni materiali (ang. MOF), mezostrukturni silikati/aluminati ter njihovi analogi modificirani s prehodnimi kovinami in kovinskimi oksidi. Glede na ciljno uporabnost, bomo raziskovali inovativne pristope oblikovanja materialov v primerne makrostrukturne oblike kot so tanke plasti, membrane in monoliti, kjer je porozni material aktivna komponenta ali nosilec. Poseben poudarek bo na pripravi materialov po principih zelene sinteze s sintezo pri nižjih temperaturah in tlakih ter brez organskih strukturnih usmerjevalcev. Priprava novih materialov z želenimi lastnostmi bo podprta z natančno strukturno karakterizacijo. Strukturne študije bodo zajemale osnovno in poglobljeno karakterizacijo pripravljenih materialov. Posebno pozornost bomo namenili preučevanju defektov v kristalih in vplivu le-teh na katalitsko aktivnost materialov. Razvili in vpeljali bomo eksperimentalne in računske tehnike, ki nam bodo omogočale podroben študij zgradbe in delovanja materialov in razumevanje odnosa med zgradbo in funkcionalnostjo materialov. Nove metode bodo omogočile študij nehomogenih kristaliničnih materialov, študij defektov v njih, identifikacijo katalitskih in adsorpcijskih mest, oceno jakosti interakcij med molekulami in ogrodjem poroznih materialov ter študij dinamike molekul v porah, tudi z in-situ in operando pristopi. Sintezo materialov, ki bodo zanimivi na laboratorijskem nivoju oziroma bodo ustrezali zahtevanim kriterijem za uporabo, bomo poskušali prenesti na polindustrijski nivo v sodelovanju z industrijskimi partnerji. Predlagane raziskave bodo omogočile razvoj cenovno ugodnih in stabilnih materialov za uporabo v naprednih procesih, kot so fotokatalitske in oksidacijske (AOP) metode čiščenja vode in zraka, predelava biomase v goriva in kemikalije, shranjevanje in transformacije toplote ter selektivni zajem in pretvorba CO2. 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 in karakterizacije. 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
Raziskave nanoporoznih materialov za uporabo v katalizi in adsorpciji predstavljajo eno od najpomembnejših tradicionalnih in sodobnih področij raziskav materialov. Z izoliranimi in stabilnimi aktivnimi mesti nanoporozni materiali 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 zadnjem času pridobivajo na pomenu tudi raziskave nanoporoznih materialov kot nosilcev za enakomerno porazdelitev in stabilizacijo aktivnih komponent v baterijah, oksidnih katalizatorjih, bioloških aktivnih substanc, itn. Za vsako ciljno sintezo želenih struktur je potreben drugačno optimiziran material in posledično odlično poznavanje sinteze materialov in njihove posintezne modifikacije. Prav tako v zadnjem času v svetu pridobivajo na pomenu strukturne študije in preučevanje odnosa med atomsko strukturo in lastnostmi nanomaterialov, saj je to osnova za ciljno optimizacijo materiala. Posebno aktualno je preučevanje defektov v kristalih in vpliv le-teh na delovanje materialov.
Z zastavljenimi cilji programske skupine pomembno vplivamo na nadaljnji razvoj znanosti na področju priprave, karakterizacije in tudi uporabe nanoporoznih materialov. Cilji na področju priprave novih materialov, ki zajemajo tudi postopke zelene sinteze ter inovativne posintezne pristope oblikovanja materialov za doseganje stabilnosti materialov, preprečevanja njihove deaktivacije in optimizacije prenosa toplote in snovi za njihovo čim bolj učinkovito delovanje, so izredno aktualni v svetovnem merilu. Z aktivnim delovanjem programske skupine na področju razvoja materialov za sorpcijsko shranjevanje toplote smo na primer v preteklem obdobju pripomogli k odpiranju novega tematskega področja raziskav, ki ima velik potencial in ki ga bomo razvijali tudi v naslednjem programskem obdobju. Prav tako je za razvoj znanosti zelo pomembno področje novih nanoporoznih materialov za učinkovit zajem in mogoče pretvorbe ogljikovega dioksida v goriva in uporabne kemikalije, saj je trenutna tehnologija zajema CO2 s kemisorpcijo v tekoče amine zelo draga zaradi energetsko potratne regeneracije sorbenta. Uresničevanje ciljev programa na področju poroznih katalizatorjev in fotokatalizatorjev, ki vključujejo razvoj s kovinami in kovinskimi oksidi modificirane silikate in aluminate, ki bodo lahko delovali pri milejših pogojih in/ali v vidni svetlobi, bo omogočilo boljše razumevanje in oblikovanje njihovih kompleksnih heterogenih struktur Prav tako bomo s cilji napredne strukturne karakterizacije nanoporoznih materialov in njihovih kompozitov, močno presegli trenutna znanja v svetu na tem področju. Velik izziv predstavljajo predvsem študije strukturnih sprememb pri delovanju materialov, t.j. njihovo prostorsko in časovno spremljanje, za kar je potreben razvoj novih metod in tehnik, ki je eden od poglavitnih ciljev dela programske skupine.
Pričakujemo, da bodo nova znanja uporabna tudi na drugih področjih raziskav materialov, tako v sinteznem delu, kot pri uporabi in razvoju naprednih karakterizacijskih metod in tehnik.
Pomen za razvoj Slovenije
Predlagane raziskave v okviru programa segajo na aktualna področja energetike in ekologije. Tako na primer postaja učinkovito shranjevanje/transformacija toplote eno od primarnih raziskovalnih usmeritev v svetovnem merilu, saj je odločilno za širšo uporabo sončne toplotne energije in odpadne toplote v stavbah in v industriji. V razvitih državah namreč porabimo polovico vse energije za ogrevanje in hlajenje. Prav tako se odpirajo nove možnosti uporabe tehnologije v avtomobilizmu, proizvodnji gospodinjskih aparatov in industriji izolacijskih materialov. Na vseh naštetih področjih uporabe že imamo kontakte z industrijskimi partnerji, tako domačimi kot tujimi. S stališča ohranjanja čistega okolja so raziskave zajema in pretvorbe ogljikovega dioksida, raziskave materialov za čiščenje vode in zraka ter raziskave materialov za predelavo biomase, ključne. Pomen zajezitve izpustov CO2, predvsem pri CO2-intenzivnih industrijah, kot so cementna in jeklarska industrija, ter termoelektrarnah, je izrazito globalni problem in neločljivo povezan s preprečevanjem segrevanja planeta. Prisotnost organskih onesnažil v odpadnih vodah tudi 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, saj so trenutni postopki velikokrat ekonomsko nekonkurenčni in/ali niso trajnostni. Zaradi naštetih in tudi novih možnosti uporabe nanoporoznih materialov, obseg proizvodnje in prodaje nanoporoznih materialov v svetu vztrajno narašča (Market.biz, 2019), tako v Evropi, Severni Ameriki in v zadnjem času zlasti v Aziji, kjer je trenutno največ težav na področju energetike in čistega okolja.
V okviru programa bomo naslavljali specifične zgoraj omenjene izzive z osnovnimi raziskavami materialov, ki jih bomo kasneje v sodelovanju z zainteresiranimi industrijskimi partnerji razvijali v uporabne produkte in tehnološke rešitve. Z poglobljenim znanjem o materialih in razumevanjem procesov, v katerih sodelujejo, bomo lahko opremili strokovnjake v industriji in predlagali nove proizvode in tehnološke rešitve. Obstoječe in načrtovane aplikativne raziskave bomo izvajali z nacionalnimi in tujimi industrijskimi partnerji, tako na področju proizvodnje materialov, kot njihove uporabe. Pri prenosu sinteze iz laboratorijskega na pol-industrijski nivo bomo v prvi vrsti sodelovali z dolgoletnih industrijskim partnerjem, poizvajalcem zeolitov, predvsem na področju poroznih adsorbentov. Na področju razvoja in uporabe poroznih katalizatorjev načrtujemo nadaljevanje sodelovanja s podjetjema iz Finske in Nemčije, in sicer pri optimizaciji procesov predelave biomase v uporabna goriva in kemikalije. V prihodnosti želimo naslavljati tudi druge zainteresirane partnerje, predvsem preko pisarne za prenos znanja na KI in preko sodelovanja v mednarodnih projektih. S tovrstnim sodelovanjem bomo lahko prispevali k izboljšanju konkurenčnosti sodelujočih podjetij z inovativnimi izdelki in tehnološkimi rešitvami na domačem in tujem trgu.
S predlaganimi inovativnimi pristopi k sintezi nanoporoznih materialov in spremljanju njihovega delovanja z naprednimi karakterizacijskimi tehnikami bomo lahko bistveno prispevali k ugledu slovenske znanosti v svetu. Nove materiale in morebitne nove tehnologije na izbranih področjih bomo še naprej uspešno promovirali v evropskem znanstvenem in strokovnem prostoru preko vabljenih predavanj, vabljenih objavah v uglednih strokovnih in znanstvenih revijah, aktivnih članstvih v strokovnih združenjih, aktivnostmi v evropskih infrastrukturnih mrežah, z organizacijo mednarodnih znanstvenih in strokovnih srečanj na Kemijskem inštitutu oziroma v Sloveniji, idr.
Pomemben kazalnih družbeno-ekonomske uspešnosti predlaganega programa je načrtovano izobraževanje mladih oziroma
