Projekti / Programi
Ekotehnološki 1D nanomateriali: sinteza in karakterizacija 1D titanatnih nanomaterialov z dodatki ionov kovin prehoda
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.02 |
Tehnika |
Materiali |
Kovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P260 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kondenzirane snovi: elektronska struktura, električne, magnetne in optične lstnosti, supraprevodniki, magnetna rezonanca, relaksacija, spektroskopija |
| P250 |
Naravoslovno-matematične vede |
Kondenzirane snovi: struktura, termične in mehanske lastnosti, kristalografija, fazno ravnovesje |
| P352 |
Naravoslovno-matematične vede |
Površinska kemija in kemija tankih plasti |
| P401 |
Naravoslovno-matematične vede |
Elektrokemija |
| T140 |
Tehnološke vede |
Energijske raziskave |
| T152 |
Tehnološke vede |
Kompozitni materiali |
nanotehnologija, 1D nanomateriali, hranjenje energije, sinteza, kataliza, adsorpcija, elektronska mikroskopija
Raziskovalci (12)
Organizacije (2)
Povzetek
Namen predlaganega projekta so razvoj in raziskave dopiranih eno-dimenzionalnih (1D) titanatnih nanomaterialov primernih za uporabo v aplikacijah s področja varovanja okolja, kot so na primer odstranjevanje okolju nevarnih polutantov iz odpadnih vod, kontrolirano adsorbcijo nekaterih toplogrednih plinov in do okolja prijaznejšo rabe energije v obliki litij-ionskih baterij. Dopirane 1D titanatne nanostrukture bomo sintetizirali po dveh različnih poteh in sicer in situ, to pomeni, da bomo kot izhodno komponentu uporabili že s prehodnimi kovinami (Cu2+, Co2+, …) dopirano antasno obliko TiO2 in ''ex situ'' kar pomeni, da bomo dopirane materiale pripravili z ionsko izmenjavo kationov na že sintetiziranih titanatnih nanomaterialih z 1D morfologijo, kot na primer nanocevkah, nanopasovih in nanožičkah. Pred adsorbcijo plinov in transportom litija bomo pripravljene materiale karakterizirali s termičnimi (TGA/DSC) in mikroskopskimi (TEM, SEM, HRTEM) tehnikami. Detaljno strukturo na pripravljenih 1D nanomaterialih bomo študirali z difrakcijo rentgenskih žarkov (XRD) in visokolčjivostnim presevnim mikroskopom v (HRTEM + EELS). Z-kontrast (HAADF-STEM) mikroskopija nam bo omogočila istočasen vpogled v kristalno strukturo in kemijsko sestavo pripravljenih materialov na atomarnem nivoju. Lokalno okolico ionov prehodnih kovin bomo opazovali tudi posredno z dvema resonančnima tehnikama; elektronsko (EPR) in nuklearno magnetne resonanco (NMR). Končni cilj predlaganih raziskav je poleg sinteze novih 1D dopiranih titanatnih sistemov predvsem razumevanje vpliva ionov prehodnih kovin in njihove koncentracije na adsorpcijske lastnosti, na možne katalitske lastnosti (razgradnja) pri adsorpciji različnih toplogrednih plinov in na transport in interkalacijo litija v litij ionskih baterijah. V okviru projekta bo potekala tudi primerjava rezultatov dobljenih pri raziskavah lokalne okolice ionov prehodnih kovin z resonančnimi in mikroskopskimi tehnikami.
Pomen za razvoj znanosti
Po objavi T. Kasuge o sintezi natrij-titanatnih nanocevk v reviji Advanced Materials leta 1999 so pričele potekati intenzivne raziskave titanatnih nanomaterialov. Do sedaj so se titanatni nanomateriali pokazali kot perspektivni za hranjenje energije v obliki Li ionskih baterij, pri fotokemijskem razpadu nekaterih organskih spojin in pri katalitskih pretvorbah nekaterih toplogrednih plinov.
V nekatere od teh raziskav se je uspešno vključila tudi projektna skupina. V okviru projekta smo prišli do naslednjih spoznanj (odkritij), ki so pomembni z vidika nadaljnega razvoja znanosti s področja novih titanatnih nanomaterialov:
•vrsta iona dopanta vpliva na končno morfologija natrij-titanatnih nanostruktur. Tako v primeru dopiranja z Cu2+ nismo uspeli sintetizirati natrij-titanatnih nanopasov dopiranih z Cu2+, prisotnost Cr3+ pa na primer po drugi strani ni vplivala na morfologijo nastalih struktur pri danih reakcijskih pogojih. Pri dopiranju in situ z Cu2+ in Ag+ pri 135 oC, to je pri temperaturi pri kateri običajno zrastejo nanocevke smo v tem primeru zrastli natrij-titanatne nanostrukture sestalvjene iz 3-5 plasti, ki so deloma zavite
•prisotnost ionov dopanta (v primeru Cr3+ in Mn2+) zviša reakcijsko temperatruro pri kateri poteka sinteza natrij-titanatnih nanopasov dopiranih z ioni Cr3+ iz 175 na 195 oC
•da pri in situ dopiranju z Co2+ na površini natrij-titanatnih nanopasov zrastejo nanodelci dimenzij ?5x20 nm v katerih je vsebnost iona dopanta večja kot v nanopasovih
•vsebnosti ionov Na+ vpliva na antibakterijske lasntosti titanatnih nanocevk in sicer se z manjšo vsebnostjo ionov Na+ antibakterijske lastnosti izboljšajo
•pri in situ dopiranju se del ionov dopantov (Cu2+, Cr3+, Co2+, Mn2+) vgradi na mesta Ti4+ v titanatni matriki. To smo dokazali z različnimi karakterizacijskimi tehnikami (EPR, HAADF-STEM (+EELS), TXM, EXAFS, meritve katodoluminiscence)
•prisotnost nekaterih ionov dopantov (Co2+) spremeni magnetne lastnosti natrij-titanatnih nanostruktur
•pri dopiranju z ioni Ag+ pod hidrotermalnimi v alakalnem se ioni Ag+ reducirajo do Ag?. Nastali srebrovi nanodelci imajo premer pod 5 nm.
•uporaba ESEEM tehnike (electron spin echo envelope modulation): tehniko smo prilagodili za študij koordinacije ionov dopantov v dopiranih titanatnih nanostrukturah (pomembno pri in situ študiji adsorpcije). Za globje razumevanje rezlultatov smo razvili ustrezno programsko opremo.
•na NO2 adsropcijo v največji meri vpliva morfologija (večja specifična površino) medtem ko na zmožnost katalize razpada NO2 pa struktura. Najboljše rezultate so v tem pogledu dali ex situ dopirane strukture natrij-titanantih nanopasov na katerih površini so zrastli nanodelci CuO, medtem, ko prisotnost različnih ionov dopantov v strukturah z isto morfologijo ni bistveno vplivala na adsorpcijo NO2.
•obloga iz SiO2 prepreči razpad protonirane oblike titanatnih nanocevk pri segrevanju nad 400 ?C pri čemer se protoniran titanat pretvori v TiO2 v anatazni obliki. Ohranitev morfologije nato bistveno izboljša izkoristek in delovanje Li-ionske baterije.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt je z vidika razvoja Slovenije pomemben iz več vidikov:
•sinteze novih materialov z izboljšanimi lastnostmi za adsorpcijo, pri katalizi in hranjenju energije kar predstavlja priložnost za razvoj novih izdelkov z visoko dodano vrednostjo (filtri, adsorpcijska sredstva, baterije, materiali z izboljšanimi AB lastnostmi).
•izobraževanja mladih kadrov (mladi raziskovalci in tudi delo preko študentskega servisa študentov višjih letnikov kemije) in pridobivanje novih znanj:
-mladi raziskovalci, Matej Pregelj in Tone Potočnik (mentor doc. dr. Denis Arčon) in Boštjan Erjavec (mentor dr. Robert Dominko) so/bodo del svojega doktorskega dela naredili na raziskavah titanatnih nanomaterialov.
-za potrebe projekta smo navezali stike z različnimi skupinami, ki za karakterizacijo materialov uporabljajo tehnike, ki jih pri nas ne (katodoluminscenca, TXM, high resolution HAADF-STEM (+EELS) s katerimi so se seznanili tudi mladi raziskovalci in so si tako razširili obzorja.
•posrednega prenosa znanja v industrijo: dodiplomski in podiplomski študentje se bodo po končanem usposabljanju zaposlili v industriji, kjer bodo posredno uporabili znanje pridobljenu v okviru projekta. Diplomantka Fakultete za kemijo in kemijsko tehnologijo Anja Sirk, katere komenorica sem bila pri diplomskem delu, je pred zaključkom študija delala preko študentskega servisa na tematiki sinteze in karakterizacije natrij titanatnih in MnO2 nanomaterialov. Na podlagi pridobljenih znanj je diplomantka nato takoj po zagovoru diplomskega dela dobila službo v podjetju, ki se ukvarja z izdelavo baterij.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2008,
2009,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
