Materiali za pretvorbo in shranjevanje energije

Študentje spoznajo osnovne principe delovanja naprav za elektrokemijsko konverzijo in shranjevanje energije. Razumevanje elektrokemije je osnova za razumevanje elektrokatalize in baterij.
Seznanijo se z fizikalno-kemijskimi mehanizmi, ki jih te naprave izkoriščajo pri svojem delovanju. Naučijo se povezav med strukturo, sestavo in morfologijo in funkcionalnostjo aktivnih materialov v teh napravah. Seznanijo se z dodatnimi učinki, do katerih pride, ko aktivne materiale vgradimo v elektrodne kompozite. Seznanijo se s tehnikami za proučevanje posameznih komponent (aktivni material, dodatki, nosilni materiali itd.) v omenjenih napravah ter interakcij med njimi. Spoznajo najpomembnejše nerešene ali slabo rešene probleme pri uporabi teh naprav in se seznanijo z usmeritvami za njihovo odpravo. Seznanijo se z drugimi vidiki pri uvajanju novih naprav (vpliv na okolje in trajnostni razvoj, varnost delovanja, problem cene, razvitosti infrastrukture, trga ipd.). Poudarek bo na splošnem razumevanju nizkoogljičnih tehnologij v kontekstu trajnostnega razvoja.

1. Pregled sodobnih trajnostnih tehnologij za konverzijo in shranjevanje energije

2. Princip elektrokemijske konverzije energije (gorivne celice, elektrolizerji)

3. Princip shranjevanja električne energije v sodobnih trajnostnih napravah (reverzibilne baterije/akumulatorji, superkondenzatorji)

4. Osnovni transportni in reakcijski procesi

5. Ciljne lastnosti aktivnih materialov za konverzijo in shranjevanje energije (kristalna struktura, površinska struktura in morfologija, funkcionalizacija površin, električne lastnosti, vpliv defektov, dopiranja)

6. Vloga pomožnih materialov (nosilci za aktivne delce, veziva, dodatki, elektroliti)

7. Sintezni postopki za pripravo aktivnih materialov in kompozitov

8. Konstrukcija elektrod in testnih celic

9. Pregled tipičnih naprav:
   a) gorivne celice
   b) elektrolizerji
   c) baterije
   d) superkondenzatorji

10. Prednosti in slabosti sedanjih generacij naprav in pogled v prihodnost

Razumevanje principov delovanja sodobnih naprav za elektrokemijsko konverzijo in shranjevanje energije.
Razumevanje povezav med osnovnimi lastnostmi aktivnih materialov (sestava, struktura, morfologija) in njihovo funkcionalnostjo.
Razumevanje pojavov transporta in reakcije v omenjenih napravah.
Razumevanje stranskih reakcij, vpliva dodatkov, nosilnih materialov ter interakcij med aktivnimi materialom in dodatnimi fazami v elektrodnih sklopih.
Podrobnejše poznavanje različnih tipov sodobnih naprav iz omenjenega nabora.
Poznavanje omejitev, nerešenih problemov in širših vidikov uvajanja novih naprav, vključno z okoljskim, varnostnim in ekonomskim.

• W. Vielstich, A. Lamm, and H.A. Gasteiger, Handbook of Fuel Cells: Fundamentals, Technology, Application, Vol. 1, Wiley, Chichester, 2003 E-gradivo
• D. Pletcher & F.C. Walsh, Industrial Electrochemistry, 2nd ed., Chapman and Hall, London, 1990
• Fuel cell handbook, EG&G Services, Parsons, Inc., Science Applications International Corpora-tion, Morgantown, WV : U.S. Dept. of Energy, Office of Fossil Energy, National Energy Technolo-gy Laboratory, 2000. E-gradivo
• C. Vincent & B. Scrosati, Modern Batteries, Butterworth-Heinemann, 2nd Edition, 1997.
• Lithium Ion Batteries: Fundamentals and Performance, M. Wakihara, O. Yamamoto (Eds.), John Wiley & Sons, 2008.
• Goetzberger, V. U. Hoffmann, Photovoltaic Solar Energy Generation, Springer, Berlin, 2005. E-gradivo

Seminar, udeležba pri laboratorijskem delu, ustni izpit

Prof. dr. Nejc Hodnik:

Prof. dr. Nejc Hodnik je redni profesor za področje Materialov na Univerzi v Novi Gorici.

Prof. dr. Nejc Hodnik je vodja skupine za Elektrokatalizo na Odseku za katalizo in reakcijsko inženirstvo na Kemijskem inštitutu v Ljubljani. doktoriral na Fakulteti na kemijo in kemijsko inženirstvo Univerze v Ljubljani. Med doktoratom je bil kot mladi raziskovalec zaposlen na Kemijskem inštitutu pod vodstvom dr. Stanka Hočevarja, ki je vodil raziskave na temo gorivnih celic. Leta 2014 je, na podlagi individualne prestižne štipendije Marie-Curie (sedaj Marie Skłodowska-Curie), odšel na podoktorsko izobraževanje v Düsseldorf v Nemčiji na Institut Maxa-Plancka, njegov mentor je bil prof. dr. Karl Mayrhofer. Leta 2016 se je vrnil v Slovenijo in začel delovati na Odseku za katalizo in kemijsko inženirstvo Kemijskega inštituta. Med drugim je pridobil podoktorski projekt Javne agencije za raziskovalno dejavnost Republike Slovenije (ARRS) in leta 2017 je s štipendijo ARRS tri mesece deloval pri vodji ERC projekta v Italiji. Izkoristil pa je tudi komplementarni projekt ARRS po prvi prijavi na razpis ERC. Leta 2019 je bil imenovan za pridruženega izrednega profesorja na Univerzi v Novi Gorici, kjer deluje pri doktorskem programu Materiali (3. stopnja). Njegova bibliografija obsega več kot 100 znanstvenih člankov v mednarodnih revijah, več kot 20 vabljenih predavanj na mednarodnih srečanjih ter en mednarodni patent in tri mednarodne patentne prijave. Leta 2019 je prejel projekt Evropskega raziskovalnega sveta (ERC) za raziskovalce na začetku samostojne kariere (ERC Starting Grant).

• Double passivation water based galvanic displacement method for reproducible gram scale production of high performance pt-alloy electrocatalysts,
Matija Gatalo, Marjan Bele, Francisco Ruiz‐Zepeda, Ervin Šest, Martin Šala, Ana Rebeka Kamšek, Nik Maselj, Timotej Galun, Nejc Hodnik, Miran Gaberšček, Angewandte Chemie, 2019, vol. 58, 1-6,

• Atomically resolved anisotropic electrochemical shaping of nano-electrocatalyst,
Francisco Ruiz-Zepeda, Matija Gatalo, Andraž Pavlišič, Goran Dražić, Primož Jovanovič, Marjan Bele, Miran Gaberšček, Nejc Hodnik, Nano Letters, 2019, 19, 8, 4919-4927,

• Methodology for Investigating Electrochemical Gas Evolution Reactions: Floating Electrode as a Means for Effective Gas Bubble Removal, Primož Jovanovič, Kevin Stojanovski, Marjan Bele, Goran Dražić, Gorazd Koderman Podboršek, Luka Suhadolnik, Miran Gaberšček, Nejc Hodnik, Analytical Chemistry, 2019, 91, 16, 10353-10356,

1. PASTRANA-MARTINEZ, L. M., GOMES, Helder T., DRAŽIĆ, Goran, FARIA, Joaquim Luís, SILVA, Adrián M. T. Hydrothermal synthesis of iron oxide photo-fenton catalysts: the effect of parameters on morphology, particle size and catalytic efficiency. Global NEST journal, 2014, vol. 16, 474-484.

• Electrochemical Dissolution of Iridium and Iridium Oxide Particles in Acidic Media: Transmission Electron Microscopy, Electrochemical Flow Cell Coupled to Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, and X-ray Absorption Spectroscopy Study,
Primož Jovanovič, Nejc Hodnik, Francisco Ruiz-Zepeda, Iztok Arčon, Barbara Jozinović, Milena Zorko, Marjan Bele, Martin Šala, Vid Simon Šelih, Samo Hočevar, Miran Gaberšček,,
Journal of the American Chemical Society, 2017, 139, 12837- 12846,

• Platinum recycling going green via induced surface potential alteration enabling fast and efficient dissolution,Nejc Hodnik, Claudio Baldizzone, George Polymeros, Simon Geiger, Jan-Philipp Grote, Serhiy Cherevko, Andrea Mingers, Aleksandar Zeradjanin, Karl J. J. Mayrhofer,
Nature Communications, 2016, vol. 7, no. 13164, 1-6,