Napredni materiali za nizkoogljično in trajnostno družbo

Program se osredotoča na sintezo, karakterizacijo, razumevanje in praktično uporabo novih materialov za trajnostni razvoj. Poudarek je na materialih, katerih uporaba vodi do zmanjševanja človekovega škodljivega vpliva na okolje, hkrati pa vodijo do novih produktov z izrazito izboljšanimi lastnostmi. Primer so materiali za uporabo v nizkoogljičnih (nefosilnih) virih energije ter strateški materiali z zelo podaljšano življenjsko dobo. Materiali, ki bodo dosegali izjemno visoke zahteve naprednih trajnostnih tehnologij, bodo morali izpolnjevati vsaj naslednje kriterije: a) multifunkcionalnost, b) stabilnost skozi ves čas uporabe, c) varnost, d) okoljsko sprejemljivost. Vsi ti kriteriji so tesno povezani z nanoarhitekturo (praviloma sestavljeno iz več faz). Ambicija programa je, da obstoječe nanotehnološke pristope zamenja kontrola na atomskem oziroma molekularnem nivoju. To bo vodilo do nove generacije materialov z radikalno izboljšanimi lastnostmi - glede na obstoječe materiale. Končni cilj, torej dobro kontrolirane arhitekture na atomskem nivoju, ki bodo prevladovale v celotnem makroskopskem materialu, bomo dosegli z novimi sinteznimi postopki, podrobnim razumevanjem korelacije med sestavo in strukturo faz in makroskopskimi lastnostmi materiala ter razumevanjem in obvaldovalnjem degradacijskih procesov med uporabo takšnih materialov. Eksperimentalne metode bomo sistematično nadgrajevali s teoretičnimi spoznanji. Omenjene principe bomo uporabili na več sklopih materialov s področja naprednih materialov za trajnostni razvoj: A) premazih oziroma tehnologijah za izkoriščanje sončne energije, B) materialih za shranjevanje energije (litij ionske ter post-litij ionske, kot so Li-žveplove, magnezijeve, aluminijeve ipd.), C) materialih za konverzijo energije (elektrokatalizatorje za gorivne celice, za eletkrolizerje in druge kemijsko-električne pretvorbe), D) izrazito bolj stabilnih/korozijsko odpornih strateških kovinah za trajnostni razvoj. Programska skupina razpolaga z najsodobnejšo opremo za karakterizacijo materialov z vseh aspektov. Prav tako so v programsko skupino vključeni strokovnjaki, ki obvladajo ab initio modeliranje, pa tudi modeliranje na kontinuum nivoju in lahko dodatno prispevajo k razumevanju lastnosti pripravljenih multifaznih struktur s kontrolo na atomskem nivoju. Kombiniranje modeliranja z modelskimi eksperimenti, ki je bilo podlaga za pomembne preboje že v preteklosti, bo tudi vnaprej ena od najpomembnejših usmeritev pri bazičnih raziskavah. Visok nivo raziskav bomo vzdrževali z intenzivnim sodelovanjem z najuglednejšimi raziskovalnimi inštitucijami po svetu. Nadalje bo program veliko pozornost namenjal vzgoji mlajših kadrov pa tudi izpopolnjevanju kadrov, ki prihajajo iz gospodarstva. Uporabne rezultate bomo tako kot doslej prenašali v gospodarstvo - bodisi v Sloveniji ali na mednarodnem nivoju.

Postavljeni programski cilji glede kontrole snovi na atomskem nivoju predstavljajo tako znanstveni kot tudi metodološki izziv. Na znanstveni ravni trenutno stanje tehnike predstavlja le delna, lokalizirana kontrola snovi na atomski ravni, medtem ko v večjem predelu večine materialov prevladujejo izrazite nehomogenosti (aglomerati, aggregati, nanoskopski objekti). Če želimo doseči popolno kontrolo na atomskem nivoju v celotnem materialu, potrebujemo radikalno nove sintetske pristope. Ocenjujemo, da bo napredek v smeri te vizije postopen, spremljali pa ga bodo občasni pomembni preboji. Slednji bodo prav gotovo objavljivi v najprestižnejših revijah, kot sta družina Nature in Science. Ker so naše raziskave po definiciji interdisciplinarne, pričakujemo zelo velik preboje prav zaradi velikih sinergij med različnimi področji. V oviru raziskav pretvorbe energije bomo kreirali nove generacije precej bolj kontroliranih eletkrokatalizatorjev, hkrati pa tudi razvijali nove metodologije, ki bodo nudile precej bolj precizen vpogled v naravo procesov - tako med sintezo kot delovanjem katalizatorjev. Razumevanje obeh vidikov bomo poglobili z izvedbo modelskih poskusov in teoretičnega modeliranja. V primeru materialov za solarne aplikacije pričakujemo precej bolj precizno pripravo kompozitov, v kateri bodo tako gradniki (atomske plasti, homogeno dopirani objekti itd.) kot sklopitev med njimi (fazne meje) kontrolirani na atomskem nivoju. Na področju baterijskih raziskav pričakujemo izjemen napredek v več smereh: pri obvladovanju površinskih lastnosti aktivnih kovin, ki jih bomo bodisi kemijsko ali elektrokemijsko dekorirali z dobro definirami tankimi sloji, pri kreiranju faznih mej trdno-trdno ter še posebej pri identificiranju in zaustavitvi najbolj žgočega trenutnega problema - degradaciji med delovanjem v agresivnem elektrokemijskem okolju. Na področju strateških kovin bodo najpomembnejši cilji novi pristopi k študiju mehanizmov inhibicije korozije. Ti bodo sloneli na razvoju virtualnega laboratorija, katerega namen je zmanjšati uporabo kemikalij in usmerjati poskuse ter s tem zmanjšati njihovo število. Na metodološki ravni bo uporabljena kombinacija organske in anorganske sinteze, eksperimentalne karakterizacije in modeliranja korozijskih sistemov, vključno s konceptom načrta eksperimentov pri optimizaciji sinteze sodobnih prevlek.

V bližnji prihodnosti bomo priča svetovnemu napredku, katerega gonilna sila bo vzpostavitev Industrije 4.0. V ta namen potrebujemo izrazito boljše tehnološke rešitve - v primerjavi s tistimi, ki jih ponujajo obstoječe nanotehnologije. Zato je učinkovita kontrola materije in materialov na atomskem nivoju neizbežna. Kar se tiče elektrokemijskih reakcij, je že znano, da bodo predstavljale integralni del bodoče popolne elektrifikacije družbe, do katere že prihaja, dokončana pa bo v nekaj desetletjih. Ta razvoj nikakor ne bo omejen na nove laboratorijske rešitve in nova fundamentalna spoznanja, ampak bo prežel praktične aplikacije, ki bodo vključevale tudi nove materiale za pretvorbo energije, nove naprave in uvedbo novih procesov. Pri tem je pomembno, da bodo nove, zahtevnejše aplikacije zahtevale dobro usposobljen kader, kakršnega si med drugim prizadevamo vzgojiti v okviru pričujočega programa. Elektrokemijsko-orientirane raziskave v tem programu med drugim vključujejo elektrokatalizatorje za pretvorbo energije (gorivne celice, elektrolizerje ipd.) ter tudi elektrosintezo (ogljikov in dušikov cikel), hidrometalurško reciklažo kritičnih surovin, kot so žlahtne kovine itd. Nadalje se naše raziskave navezujejo na elektrokemijske tehnologije za sočne aplikacije, elektrokromne naprave in seveda v veliki meri tudi na razvoj novih generacij baterij ter suporkondenzatorjev. Trenutno sodelujemo s številnimi podjetji, kot so Mebius (PEM gorivne celice), Recytalyst (proizvajalec katalizatorjev), ElringKlinger AG (e-mobilnost, gorivne celice), Johnson Matthey (katalizatorji), Honda (baterije), Hidria (avtomobilske komponente), itd. Stroški zaradi korozije so na svetovni ravni ogromni in dosegajo bilijone dolarjev (3,4% bruto-svetovni-proizvoda), največji delež gre na infrastrukturo (mostovi, plinovodi in plinovodi, skladišča materiala ...), storitve, kot so oskrba z vodo in plinom in transport (železnice, avtomobili, letala, ..). Že majhen odstotek izboljšanja življenjske dobe kovinskih konstrukcij lahko prihrani milijone stroškov vzdrževanja in popravil. Na splošno je sprejeto, da bi se lahko 15-35% stroškom korozije letno izognili z ustreznimi pristopi za ublažitev korozije, to pa znaša med 370 in 800 milijard USD.