O laboratoriju

Laboratorij za raziskave materialov je leta 2009 ustanovil prof. dr. Matjaž Valant. Laboratorij se je do sedaj razvil v močno raziskovalno enoto s sodobno opremo in zelo raznolikim znanstvenim profilom raziskovalcev, od sintezne in kristalne kemije, funkcionalnih materialov, znanosti o površinah, teoretične in računske kemije itd. Obdržali smo začetne raziskovalne usmeritve, ki pa smo jih razvili v smeri novi zanimivih sodobnih materialov in procesov, ki vključujejo topološke izolatorje, nanostrukturirane fotokatalizatorje, materiale v ekstremih okoljih nove tehnologije za shranjevanje omrežne energije itd. Skupni napori članov laboratorija so že privedli do nekaterih vznemirljivih odkritij in razvojnih dosežkov. Priznanje našemu raziskovalnemu delu daje tudi sodelovanje z nekaterimi najpomembnejših svetovnih akademskih in industrijskih laboratorijev.

Topološki izolatorji

Topološki izolatorji so posebna vrsta materiala, ki so v svoji notranjosti električni izolatorji na površini pa prevodniki. To je posledica prisotnih prevodnih topoloških površinskih stanj. Pri naših raziskavah se osredotočamo na študije povezane s kemijo topoloških izolatorjev kot so raziskave kemijske in elektronske interakcije med topološkimi izolatorji in kovinskimi elektrodami, obstojnosti topoloških površinskih na kemijsko modifikacijo, študije strukturnih napak v topoloških izolatorjih itd

Topološke izolatorje lahko pripravimo na različne načine. V eni izmed naših nedavnih raziskav smo ugotovili, da imajo nanodelci TI, sintetizirani v prisotnosti organskih molekul popolnoma drugačne optične in foto-termične lastnosti napram delcem, sitentiziranim samo v vodi. Omenjene lastnosti pa lahko prilagajamo/spreminjamo tudi tako, da spremenimo sestavo materiala, torej z dodajanjem raznih dopantov. S tem pristopom lahko torej pripravimo nanodelce TI z različnimi sestavami, njihove optične lastnosti, ki izhajajo iz njihovih površinskih topoloških stanj pa lahko spremljamo z uporabo UV-VIS spektroskopije. Na osnovi teh predpostavk, razvijamo prvo direktno analitsko metodo, s katero bomo lahko določili, ali so nanodelci TI ali ne. Razvoj te metode bo nekakšen preboj na področju TI. Površinska topološka stanja lahko sedaj določimo samo volumenskim materialom in še to z uporabo ARPES metode na sinhrotronu. Naša metoda pa bo omogočila določitev ali je material TI ali ne z opremo, ki je na voljo skoraj v vsakem laboratoriju.

Shranjevanje omrežne električne energije

Premik k obnovljivim virom energije je izpostavil osnovno slabost svetovnega električnega omrežja. Sončni, vetrni ali kateri koli drugi viri obnovljive energije so vsi do določene mere nestanovitni in odvisni od spremenljivih faktorjev kot je na primer vreme. To povzroča, da ne moremo v vsakem trenutku uravnati porabe energije s potrošnjo, ker za sedaj še nimamo na voljo učinkovitega načina za shranjevanje občasnih presežkov. V svetovnem merilu ni problem primankljaj električne energije ampak možnost učinkovitega shranjevanja občasnih presežkov. Vsi obstoječi sistemi za shranjevanje presežkov omrežne energije imajo pomembne pomankljivost kot so okoljska in ekonomska nesprejemljivost (v primeru baterij in tehnologij za pretvorbo energije v goriva), geografska omejenost (črpalne elektrarne) ali nizki energetski izkoristki (shranjevanje energije s stiskanjem zraka). Nujno potrebujemo novo tehnologijo za shranjevanje presežkov omrežne energije, ki ne bo omejena z omenjenimi težavami.
Na osnovi našega patentiranega koncepta razvijamo povsem novo tehnologijo za shranjevanje omrežne električne energije v trdni snovi. Ta tehnologija lahko shranjuje energijo z veliko večjo energijsko gostoto kot tehnologije, ki pretvarjajo energijo v plinasta ali tekoča goriva. Razlog je v tem, da je snov v trdnina zložena veliko bolj na gosto kot v tekočinah ozioma plinih.

Heterogena hidrogenacija CO₂ z modifikacijo okolice katalitsko aktivnih mest

Pot do CO₂ nevtralnosti bo nujno vodila preko zmanjšanja emisij CO₂. Posledično je izjemno zanimivo zajemanje CO₂ na kraju emisije, ki mu sledi pretvorba CO₂ do goriv in kemikalij. Zaradi visokega energijskega vložka za aktivacijo molekule CO₂, je potrebno razviti in uporabiti selektiven in robusten katalizator. Zlasti zanimiva je pretvorba do C₂₊ spojin (etanol, etan, etilen, etilenglikol…), ki imajo večjo energijsko gostoto in višjo ekonomsko vrednost v primerjavi s C1 spojinami (metanol, mravljinčna kislina, metan…). Doslej je tehnološko zrelost z zadostno selektivnostjo dosegla le proizvodnja metanola iz CO₂. Tvorba C₂₊ spojin pa se sooča z nizkimi reakcijskimi izkoristki. Pomemben napredek v selektivnosti tvorbe produktov redukcije CO₂ je mogoče doseči le z razumevanjem reakcijskih mehanizmov, površinske strukture in aktivnih mest. V laboratoriju za raziskave materialov vplivamo na selektivnost z modifikacijo okolice katalitsko aktivnih mest. Pri termični hidrogenacijo CO₂ raziskujemo vpliv faznih mej in kristaliničnosti kovinskih oksidov pridobljenih iz hidrotalcita na sposobnost disperzije katalitsko aktivnih kovinskih centrov. Pri elektrokemijski hidrogenaciji CO₂ razvijamo elektrode, modificirane z kovalentnimi organskimi ogrodij. Zaradi njihove nanoporoznost in hidrofilnega značaja izboljšamo lovljenje plinskega CO₂ in otežimo difuzijo reakcijski intermediatov proč od aktivnih mest.

Materiali in procesi za fotokatalitsko tvorbo vodika

Vodik lahko tvorimo z cepitvijo moleku vode na fotokatalizatorju ali elektrodi, lahko pa nastane tudi kot produkt določenih kemijskih reakcij. V okviru raziskav razvijamo nove fotokatalitske materiale, preučujemo strukturne, elektronske in fotokatalitske lastnosti katalizatorjev ter opazujemo vpliv morfologije, sestave in velikosti delcev na fotokatalitsko aktivnost. Poleg tega raziskujemo nove nove fotokatalitske reakcije in procese za tvorbo vodika ter fotoelektrokemijske procese za vzajemno očiščevanje vode in tvorbo vodika.

Računska kemija trdne snovi

Pri raziskavah uporabljamo teorijo gostotnega funkcionala (ang. Density functional theory – DFT), ki omogoča opis ravnovesnega stanja tako trdnih materialov kot tudi bolj kompleksnih sistemov kot so nanostrukture, površine in mejne ploskve ter izračun aktivacijskih energij reakcij. Za simulacije optičnih lastnosti uporabljamo najnaprednejši in natančnejši pristop osnovan na kombinaciji metode GW in Bethe-Salpeterjeve enačbe. Z omenjenimi pristopi rešujemo različne probleme, ki vključujejo defekte na atomski ravni v amorfnem silicijevem dioksidu ter oksidacijo kovinskih površin.

Uporaba reduktivnega potenciala alg

Cilja projektov sta razvoj novih zelenih tehnologij za metalizacijo polimernih površin in za remediacijo s kovinami onesnaženih odpadnih vod s pomočjo reduktivnega potenciala alg.
Pri metaliziranju s pomočjo alg niso potrebni izredno dragi industrijski obrati, ki so prilagojeni konvencionalnemu vakuumskemu nalaganju. Poleg tega se popolnoma odrečemo uporabi nevarnih in agresivnih kemikalijam, ki imajo velik okoljski vpliv. Dodatna prednost je tudi ta, da za metalizacijo ne potrebujemo visokih temperature kot pri vakuumskem nalaganju, ampak procesi potekajo že pri sobni temperaturi. S tem tudi bistveno zmanjšamo porabo energentov.
Sisteme z algami, ki proizvajajo vodik, želimo tudi raziskati za namen biološke remediacije z različnimi ioni kovin onesnaženih voda. Pridobljeno znanje bo pripomoglo k boljšemu razumevanju in bolj učinkovitemu odstranjevanju in recikliranju kovinskih ionov iz odpadnih vod.
Naložbo sofinancirata Republika Slovenija in Evropska unija iz Evropskega
sklada za regionalni razvoj (www.eu-skladi.si).