Studentiem un darbiniekiemMecenātiemMedijiemAbsolventiem

Daudzfunkcionāli hibrīdu metālu oksīdu nanovadu tīkli vienlaicīgai zaļai enerģijas ģenerēšanai un CO2 reducēšanai

Projekta nosaukums latviski: Daudzfunkcionāli hibrīdu metālu oksīdu nanovadu tīkli vienlaicīgai zaļai enerģijas ģenerēšanai un CO2 reducēšanai

Projekta nosaukums angliski: Multifunctional hybrid metal oxide nanowire arrays for simultaneous green power generation and CO2 reduction

Projekta numurs: lzp-2022/1-0239

Projekta īstenotājs: Latvijas Universitāte (LU)

Projekta sadarbības partneri: Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūts (LU CFI)

Projekta vadītājs: Dr. Jana Andžāne

Projekta īstenošanas vadošā struktūrvienība LU ir Latvijas Universitātes Ķīmiskās fizikas institūts (LU ĶFI)

Projekta īstenošanas periods: 01.01.2023. – 31.12.2025.

Projekta kopējais finansējums: 300 000 EUR, tajā skaitā LU projekta daļai piešķirtais finansējums: 239 850 EUR un LU CFI 60 150 EUR

Plānotie projekta rezultāti:

  • 4 oriģināli zinātniskie raksti, kas iesniegti vai pieņemti publicēšanai Web of Science Core Collection vai SCOPUS datubāzēs iekļautajos žurnālos vai konferenču rakstu krājumos, kuru citēšanas indekss sasniedz vismaz 50 procentus no nozares vidējā citēšanas indeksa;
  • 1 Latvijas patenta pieteikums;
  • 2 tehnoloģiskās instrukcijas;
  • 1 prototips;
  • 1 sekmīgi aizstāvēts maģistra darbs projekta tematikā.

Zinātniskā grupa: LU ĶFI: vadošā pētniece Dr. Jana Andžāne (projekta vadītāja), vadošais pētnieks Prof. Donāts Erts (galvenais izpildītājs), vadošā pētniece Dr. Yelyzaveta Rublova (izpildītāja), pētnieks Raitis Sondors (izpildītājs/studējošais), laborants Dāvis Gavars (izpildītājs/studējošais). LU CFI: vadošais pētnieks Dr. Anatolijs Šarakovskis (izpildītājs), laborants Tots Koķis (izpildītājs/studējošais).

Informācija par projektu: Projektā tiks risināti jautājumi, saistīti ar inovatīvo materiālu un metožu izstrādi zaļās enerģētikas attīstībai un atmosfēras CO2 daudzuma samazināšanai. Projektā izstrādātie materiāli kalpos par pamatu jaunās paaudzes daudzfunkcionālo ierīču izveidei. Līdz projekta noslēgumam tiks izstrādāti inovatīvi nanostrukturētie hibrīdmateriāli uz cinka un vara oksīdu bāzes, kurus izmantos ierīces prototipa vienlaicīgai elektroenerģijas ģenerēšanai un CO2 koncentrācijas atmosfērā samazināšanai izveidošanai. Projekts tiks īstenots sadarbībā ar Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūtu (CFI). CFI zinātniskā grupa būs atbildīga par inovatīvo materiālu ķīmiskā sastāva un kompozīcijas raksturošanu. Projekta rezultāti – inovatīvie materiāli vienlaicīgai zaļai enerģijas ģenerēšanai un CO2 reducēšanai – dos ieguldījumu tautsaimniecības transformācijas viedās specializācijas stratēģijas 3. (Energoefektivitāte) un 6. (Zināšanu bāze) prioritātēs, kā arī sekmēs Eiropas zaļā kursa realizāciju.

Projekta progress par periodu 01.01.2023.-30.06.2024.

LU ĶFI [Eksakto zinātņu un tehnoloģiju fakultāte]. Piemeklēti sintēzes parametri metāla oksīdu hibrīdo nanostruktūru, balstīto uz cinka un vara oksīdiem, iegūšanai. Tikai noteikts, ka CuO nanovadu optimālā augšanas temperatūra ar termiskās oksidācijas metodi uz 75 µm Cu folijas ir 600 °C, jo tajā veidojas liels daudzums blīvi saaugušu CuO nanovadu, kas spēcīgi piekļaujas apakšā esošajai Cu folijai (CuO nanovadi nebirst no pamatnes). Cu folijas ar mazāku par 75 µm biezumu neder projekta mērķiem, jo sintēzes procesā folija paliek trausla un tā nevar kalpot kā vadošs apakšējais elektrods tālākajos pētījumos.

Ar Cu/CuO/Cu2O pamatnes temperatūras variēšanu cinka fizikālās tvaiku nogulsnēšanas procesā, varēja panākt metāla oksīdu hibrīdu nanostruktūru izveidošanu ar dažādu ZnO pret CuO/Cu2O komponentu attiecību. Tika noteikts, ka šai ZnO pret CuO/Cu2O komponentu attiecībai ir liela nozīme tiešās p-n pārejas realizācijai izveidotajās Cu-CuO-Cu2O-ZnO hibrīdās nanostruktūrās. Elektriskie un termoelektriskie mērījumi parādīja,  ka izteiktāka p-n parēja un lielāks termoelektriskais efekts piemīt hibrīdām struktūrām, kurās Zn pret Cu elementu attiecība ir aptuveni no 1:1 līdz 2:1 at%. Šādu struktūru Zēbeka koeficients sasniedz 0,4-0,6 mV/K, kas sasniedz 50-75% efektivitāti, salīdzinoši ar klasisku termoelektrisku ģeneratoru, veidoto no vara un cinka oksīdiem. Turpinās hibrīdo nanostruktūru elektrisku un termoelektrisku īpašību izpēte atkarībā no parauga sastāva.

Turpinās Cu-CuO-Cu2O-ZnO hibrīdu nanostruktūru fotoelektrisku īpašību izpēte. Tika noteikts, ka sintezētās struktūras ģenerē spriegumu, tos apstarojot ar infrasarkano starojumu un ar zilo gaismu. Uz pielikto zilo starojumu struktūras uzrādīja lielāku fotoefektu, nekā uz infrasarkano. Pētāmās struktūras relatīvi lēni (~75 s) relaksējas pēc apstarošanas, kas padara tos par perspektīviem pielietojumam fotoelektriskās ierīcēs, jo ilgāks relaksēšanas laiks nodrošina efektīvāku lādiņnesēju atdalīšanu un savākšanu.

Veikta gāzu hromatogrāfijas analīžu programmas parametru optimizēšana nepieciešamo dažādu gāzu noteikšanai: H2, H2O tvaiki, N2, O2, CO, CO2, CH4, metanola un etanola tvaiki. Tika novērtēta reakcijas kameras stabilitāte zem simulētās saules starojuma (spēcīgs UV, siltums līdz 80 °C) un novērtēts iespējamais piesārņojuma risks ar vielām savienojuma blīvju degradācijas rezultātā. Veikta reakcijas kameras blīvju piemeklēšana un nomaiņa pret termo- un UV- izturīgākām. Turpinās sintezēto Cu-CuO-Cu2O-ZnO hibrīdo nanostruktūru spējas izpēte reducēt CO2 simulētās saules starojuma ietekmē.

LU CFI. Ar XPS analīzes metodi tika raksturoti metāla oksīdu hibrīdo nanostruktūru paraugi atkarībā no to sintēzes parametriem – cinka oksīda un vara oksīdu attiecība struktūrā, pamatnes temperatūra, vara oksīda reducēšanas posma pozīcija hibrīdās nanostruktūras izveidošanas procesā utt. Visos iegūtajos paraugu XPS spektros ir detektētas visas nepieciešamas hibrīdās nanostruktūras komponentes – CuO, Cu2O un ZnO – dažādās proporcijas, ko ietekmēja sintēzes parametri. Turpinās paraugu XPS analīze pirms un pēc starojuma ietekmes.

Sagatavots un iesniegts zinātniskajā žurnāla raksts par Cu-CuO-Cu2O-ZnO hibrīdo nanostruktūru sintēzi un termoelektriskām īpašībām.

Projekta rezultāti prezentēti starptautiskās konferencēs:

1. D. Gavars, R. Sondors, M. Volkova, R. Meija, D. Erts, J. Andzane. “Effect of synthesis parameters on the morphology and thermoelectric properties of hybrid metal oxide nanowire arrays”. Latvijas Universitātes 82. starptautiskā zinātniskā konference/82th International Scientific Conference of the University of Latvia, 26.03.2024, Riga, Latvia. – Mutisks ziņojums.

2. D. Gavars, R. Sondors, R. Meija, M. Volkova, D. Erts, J. Andzane. “Fabrication of hybrid CuO/Cu2O/ZnO nanostructures with direct p-n junctions”. International Conference “NanoSpain2024”, 04-07.06.2024, Taragona, Spānija. – Stenda referāts.

Apstiprinātas tēzes piedalīšanai starptautiskā konferencē:

1. J. Andzane, M. Volkova, D. Gavars, A. Sarakovskis, A. Felsharuk, R. Meija, D. Erts. "Metal oxides-based nanostructured hybrid materials for mitigation of climate changes". IEEE 14th International Conference “Nanomaterials: Applications & Properties”, 8-13.09.2024, Riga, Latvia – Pieaicinātais runātājs (Invited Speaker)

2. D. Gavars, M. Volkova, R. Meija, D. Erts, J. Andzane. “Characterization of direct p-n junctions in layered zinc oxide-copper oxide nanowire heterostructures”. IEEE 14th International Conference “Nanomaterials: Applications & Properties”, 8-13.09.2024, Riga, Latvia – Stenda referāts.

Zināšanu izplatīšanas un popularizēšanas pasākumi:

  1. 2023. gada 29. septembrī projekta ideja un rezultāti prezentēti "Eiropas Zinātnieku Nakts 2023" pasākumā.
  2. Par projekta tematu ir izstrādāts Rīgas Valsts klasiskās ģimnāzijas 11. klases skolēna zinātniski-pētnieciskais darbs “Hibrīda metāla oksīdu nanostruktūras siltuma zudumu pārveidei elektrībā”, kas 2024. gada 22. maijā tika novērtēts ar II pakāpi Latvijas skolēnu 48. zinātniskās pētniecības darbu valsts konferences inženierzinātņu un tehnoloģiju nozaru grupā.
  3. 2024. gada 23. maijā novadīta ekskursija Rīgas Valda Zālīša sākumskolas 2. klases skolniekiem. Tika stāstīts un veikti demonstrējumi par tematiem, saistītiem ar projektu: kas ir laikapstākļi un kā tie mainās, kāpēc ir nepieciešama enerģija, kā var iegūt enerģiju, kas nepieciešams dzīvajiem organismiem, ogļskābās gāzes samazināšana klimata pārmaiņu mazināšanai.
  4. Projekta ietvaros tika izstrādāts un aizstāvēts LU Medicīnas un dzīvības zinātņu fakultātes maģistra studiju programmas “Ķīmija” kursa darbs “Sintēzes parametru ietekme uz vara un cinka oksīdu hibrīdo nanovadu tīkla morfoloģiju un elektriskajām īpašībām” (D. Gavars).

Papildus informācija par projektu:

www.linkedin.com/in/flpp-metal-oxide-hybrids-for-green-energy-161b41315

www.youtube.com/@lukimiskasfizikasinstituts4250