Osiągnięcia
Czternaścioro badaczek i badaczy z AGH otrzyma w sumie 18 930 845 zł na realizację badań podstawowych w rozstrzygniętych przez Narodowe Centrum Nauki konkursach OPUS 26 i SONATA 19. Dzięki zwiększeniu budżetu NCN sfinansowane zostały zarówno projekty znajdujące się na standardowych listach rankingowych, jak i projekty z list rezerwowych utworzonych w tych konkursach przez ekspertów na drugim etapie oceny.
Laureaci i laureatki z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH
OPUS 26 (lista standardowa)
kierownik projektu: prof. dr hab. inż. Kinga Pielichowska, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki
przyznane środki: 1 715 320 zł
Wyczerpujące się zasoby paliw kopalnych i stale rosnące zanieczyszczenie środowiska zmuszają ludzi do poszukiwania nowych rozwiązań, które umożliwią praktyczne i racjonalne wykorzystanie odnawialnych i ekologicznych źródeł energii, takich jak energia słoneczna, wiatrowa, wodna i geotermalna. Rosnąca liczba ludności na świecie powoduje szybki wzrost zapotrzebowania na energię, podczas gdy 40% całkowitego zużycia energii na świecie zużywana jest w budynkach. Z tego powodu dekarbonizacja sektora budowlanego ma kluczowe znaczenie dla łagodzenia zmian klimatycznych, a dla sektora budowlanego dużym wyzwaniem jest zmniejszenie zużycia energii ze źródeł konwencjonalnych, co stymuluje rozwój budownictwa zrównoważonego, pasywnego lub o zerowym zużyciu energii netto. Odnawialne źródła energii można wykorzystywać w budynkach na różne sposoby, np. do ogrzewania, chłodzenia lub produkcji energii elektrycznej w systemach fotowoltaicznych.
Spośród wszystkich odnawialnych źródeł energii, energia słoneczna jest uważana za najlepszą opcję, ponieważ jest najobficiej występującym źródłem energii odnawialnej i dociera do ziemi między innymi w postaci ciepła i światła. Prowadzone są intensywne badania nad opracowaniem układów pozwalających na efektywną akumulację energii cieplnej pochodzącej ze źródeł odnawialnych – przedmiotem coraz większego zainteresowania są materiały fazowo-zmienne (PCM), w których do magazynowania energii cieplnej wykorzystywane są przejścia fazowe, w szczególności przejścia fazowe ciało stałe-ciecz i ciało stałe-ciało stałe. Wykorzystanie ciepła utajonego przemiany fazowej do magazynowania energii cieplnej pozwala na magazynowanie dużej ilości ciepła w małej masie i objętości materiału. Spośród różnych grup PCM, ze względu na uwarunkowania praktyczne, szczególne zainteresowanie badawcze skupia się na materiałach o temperaturze topnienia/zamarzania w zakresie 20-80°C z grupy materiałów organicznych i polimerowych. Jednakże wszystkie wymienione PCM (poli(glikol etylenowy) (PEG), kwasy tłuszczowe, alkohole tłuszczowe) w kontekście zastosowania jako PCM mają pewne wady - ulegają przemianie fazowej ciało stałe-ciecz i charakteryzują się niską przewodnością cieplną.
Przewodność cieplną PCM można poprawić poprzez wprowadzenie dodatków o wysokiej przewodności cieplnej bezpośrednio do PCM. Z drugiej strony, aby zapobiec wyciekom powyżej temperatury topnienia PCM, konieczna jest modyfikacja PCM, poprzez tzw. stabilizację kształtu. Aby uniknąć wycieku PCM powyżej temperatury topnienia, badano różne strategie stabilizacji kształtu, w tym infiltrację materiałów porowatych stopionym PCM. W ostatnich latach najbardziej obiecującymi materiałami zapewniającymi stabilizację kształtu PCM są aerożele węglowe, uznawane za najlżejszą substancję na świecie. Aerożele węglowe charakteryzują się dobrym przewodnictwem elektrycznym i cieplnym oraz doskonałymi zdolnościami sorpcyjnymi. Hierarchiczna mikrostruktura 3D z otwartymi porami w aerożelu umożliwia penetrację jonów/cząsteczek innych substancji do wewnętrznej aerożelu. Ta cecha uczyniła aerożele jednym z najbardziej obiecujących spośród wszystkich porowatych materiałów do wielu zastosowań, w tym do wykrywania gazów, katalizy, absorbentów i oczyszczania wody, a także, w połączniu z PCM do magazynowania energii cieplnej. Jednak obecnie poszukuje się rozwiązań, które umożliwią efektywne wykorzystanie PCM w różnych dziedzinach techniki, w tym modyfikacje mające na celu otrzymanie wielofunkcyjnych systemów opartych na PCM. Przykładem takiej modyfikacji jest wprowadzenie dodatków zdolnych do absorpcji i konwersji promieniowania słonecznego na energię cieplną, co po wprowadzeniu do PCM pozwala na otrzymanie materiałów zdolnych do konwersji światła na energię cieplną i magazynowania energii cieplnej.
Z najnowszych doniesień literaturowych wynika, że obiecujące efekty konwersji promieniowania słonecznego na energię cieplną w PCM można uzyskać stosując nowe materiały, tzw. MXene. MXene to węgliki i azotki metali przejściowych, które zostały po raz pierwszy opisane w 2011 roku i obecnie stanowią bardzo szybko rozwijającą się i już bardzo dużą grupę materiałów 2D o obiecujących właściwościach, w tym zdolności do konwersji fototermicznej. Z drugiej strony porowate materiały węglowe, w tym aerożele węglowe, można wykorzystać do stabilizacji kształtu PCM, zapobiegającej ich wyciekaniu powyżej temperatury topnienia PCM, a także do poprawy przewodności cieplnej i elektrycznej otrzymywanych materiałów. Zatem, celem projektu jest otrzymanie i zbadanie właściwości nowych materiałów hybrydowych, na bazie wybranych materiałów fazowo-zmiennych (PCM), modyfikowanych MXenami, wprowadzonych do aerożeli węglowych, tak aby otrzymać materiały zdolne do konwersji promieniowania słonecznego na energię cieplną i akumulacji energii cieplnej.
OPUS 26 (lista rezerwowa)
kierownik projektu: dr Taras Parashchuk, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki
przyznane środki: 598 898 zł
Rosnące koszty energii, wyczerpujące się zasoby naturalne, zanieczyszczenie środowiska i globalne zmiany klimatu to pilne kwestie, przed którymi stoi dzisiejsze społeczeństwo. Konwersja energii termoelektrycznej (TE) może skutecznie przyczynić się do zrównoważonego zaopatrzenia w energię, podczas gdy odzyskiwanie ciepła odpadowego przez generatory TE (TEG) jest dobrym sposobem na zmniejszenie zużycia paliw kopalnych i emisji CO2. Jednak wysoki koszt, średnia wydajność i toksyczność najlepszych materiałów TE ograniczają możliwość masowej produkcji konwerterów TE. Dlatego poszukiwanie tanich i przyjaznych dla środowiska materiałów o wysokiej wydajności konwersji energii jest jednym z głównych zadań inżynierii materiałowej TE i rozwoju energii TE. Półprzewodniki diamentopodobne (DLS) są obiecującą rodziną materiałów TE, które mogą skutecznie odpowiedzieć na wyżej wymienione wyzwania.
Cel projektu
Projekt ma na celu opracowanie nowych tanich, przyjaznych dla środowiska i wysoce wydajnych materiałów termoelektrycznych z rodziny półprzewodników diamentopodobnych poprzez jednoczesną inżynierię transportu elektronowego i fononowego. Aby osiągnąć cele projektu, proponujemy następujące koncepcje:
1) Inżynieria stanów defektowych (DS). DS zostanie wprowadzony do przerwy wzbronionej materiałów półprzewodnikowych w celu ustanowienia źródła nośników ładunku dla wzmocnienia transportu elektronicznego. Takie podejście wyeliminuje negatywny wpływ niezoptymalizowanej przerwy wzbronionej i dynamicznie zwiększy koncentrację nośników wraz ze wzrostem temperatury.
2) Podejście niejednorodności wiązań (BI). Obecność niejednorodności wiązań zostanie wykorzystana do zakłócenia transportu fononów i znacznego zmniejszenia przewodności cieplnej sieci.
Opis badań
W ramach projektu zbadamy strukturę krystaliczną, właściwości mikrostrukturalne, stabilność termiczną oraz właściwości transportu elektronicznego i cieplnego lekkich materiałów DLS. Połączymy informacje o strukturze krystalicznej, energiach tworzenia defektów, energiach aktywacji przewodnictwa elektrycznego i obliczeniach transportu Boltzmanna, aby zweryfikować zdolność DS do wytwarzania nośników aktywowanych termicznie do transportu elektronicznego. Z kolei zdolność do silnego zakłócania transportu fononowego poprzez podejście niejednorodności wiązania zostanie zbadana poprzez analizę wyników obliczeń funkcji lokalizacji elektronów, pomiarów ultradźwiękowych i obliczeń Debye'a-Callawaya. Główne aspekty badań można wymienić w następujący sposób: i) ustanowienie skalowalnych i powtarzalnych metod syntezy; ii) oszacowanie optymalnych warunków dla inżynierii DS i BI przy użyciu obliczeń energii tworzenia defektów i analizy wiązań; iii) opracowanie procedury spiekania dla powtarzalnych i odtwarzalnych właściwości termoelektrycznych; iv) optymalizacja właściwości transportu elektronicznego i cieplnego w kierunku wysokiej wydajności TE przy użyciu koncepcji DS i BI.
Oczekiwane wyniki
Celem tego 3-letniego projektu jest opracowanie nowych lekkich materiałów DLS typu n i p o wysokiej wydajności termoelektrycznej, zapewniających drogę do dojrzałych i zrównoważonych konwerterów TE. Główny cel projektu zostanie zrealizowany poprzez synergiczne zastosowanie koncepcji DS i BI zaproponowanych w projekcie.
Czarny czy niebieski TiO2 do generowania zielonego wodoru – gra kolorów?
kierownik projektu: prof. dr hab. inż. Marta Radecka, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki
przyznane środki: 1 981 200 zł
Światowemu kryzysowi energetycznemu towarzyszy nieustanny postęp w poszukiwaniu nowych, odnawialnych i przyjaznych środowisku źródeł energii określanych terminem „paliwa przyszłości”. Wodór, traktowany jako najbardziej wydajny nośnik energii,stanowi wyjątkowo atrakcyjną alternatywę w stosunku do istniejących konwencjonalnych rozwiązań. Na szczególną uwagę zasługuje „zielony wodór”, którego tworzenie w procesie rozkładu H2O na H2 i O2 pod wpływem światła słonecznego, bazuje jedynie na naturalnych źródłach, tj. wodzie i Słońcu.
Prowadzone na szeroką skalę badania nad zintegrowanymi, fotoelektrochemicznymi komórkami do generacji „zielonego wodoru” zostały zainicjowane w 1972 roku, kiedy to po raz pierwszy wykorzystano TiO2 jako fotoanodę zapewniającą absorpcję padającego promieniowania [1].
W 1995 r., w obliczu niewielkiego postępu w zwiększaniu wydajności przetwarzania energii słonecznej na chemiczną, która do dziś pozostaje na poziomie dużo mniejszym niż 10%, koncepcja "efektywnego i pracującego stabilnie w skali długoczasowej układu do fotorozkładu wody na H2 i O2 przy użyciu widma promieniowania słonecznego docierającego do powierzchni Ziemi, określanego mianem AM1.5, o natężeniu odpowiadającemu 1 słońcu" stała się tzw. „Świętym Graalem” w chemii [2].
Obecnie cel ten jest jednak daleki do osiągnięcia w prostych układach. Przyczyną tych niepowodzeń jest przede wszystkim niewystarczające dopasowanie dostępnych półprzewodnikowych tlenków metalu działających jako wspomagające absorbery światła, tj. fotoelektrody do widma słonecznego oraz znaczna różnica pomiędzy czasem życia generowanych fotoelektronów i dziur a czasem niezbędnym do przeprowadzenia reakcji redox na granicy fotoanoda-elektrolit.
Celem projektu jest opracowanie nowej strategii, polegającej na zastosowaniu selektywnie nieuporządkowanego dwutlenku tytanu do fotorozkładu wody. Głównym przedmiotem badań będą czarne i niebieskie nanostruktury TiO2, które wykazują silną absorpcję w zakresie światła widzialnego i bliskiej podczerwieni, czyli:
- czarny TiO2 o strukturze rdzeń-powłoka jako wynik redukcji powierzchni (nieuporządkowanej powłoki)
- niebieski TiO2- mieszanina rutylu i anatazu z fazami uporządkowanymi/nieuporządkowanymi poprzez selektywną redukcję.
Fazowo-selektywnie zdefektowany dwutlenek tytanu, otrzymany w formie cienkich warstw i nanoproszków, zostanie zastosowany do otrzymania zielonego wodoru jako:
- półprzewodnikowa fotoanoda w ogniwie fotoelektrochemicznym,
- nanocząstki do fotokatalitycznej redukcji wody przy użyciu metanolu.
W konkursie OPUS 26 do NCN wpłynęło 1737 wniosków, z których finansowanie otrzymało 267 projektów o wartości niemal 441 mln złotych. 127 spośród wniosków zakwalifikowanych do finansowania to projekty z list rezerwowych, o łącznej wartości 191,9 mln złotych.
Ponad 4 mln zł otrzymają badacze i badaczki z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH na realizację projektów w ramach finansowanych przez Narodowe Centrum Nauki konkursów.
