Materials & Environment Lab

Výzkum této živé laboratoře bude zaměřen především na design, výrobu, charakterizaci a aplikace široké škály materiálů využitelných v oblastech životního prostředí (čištění vod a ovzduší, katalýza), elektrotechniky, biomedicíny, stavebnictví, strojírenství, biotechnologií či využití solární energie.

V rámci živé laboratoře bude vybudováno nejvýkonnější mikroskopické centrum v ČR pro popis strukturních a fyzikálně-chemických vlastností materiálů na atomární úrovni nebo laboratoř depozičních technik umožňujících výrobu vrstev a nanomateriálů s atomární přesností.

Vedoucí: prof. Radek Zbořil

Výzkumné programy

Materials Design

Odborný garant - prof. Michal Otyepka

Cílem výzkumného programu je výběr vhodných nových materiálů určených pro akumulaci energie, konverzi sluneční energie a plazmonické aplikace a účinných sorpčních materiálů pro čištění životního prostředí. Dalším cílem je detailní popis vlastností vybraných materiálů pro pochopení vazeb mezi strukturou a vlastnostmi, který povede k racionálnímu návrhu optimalizovaných materiálů pro uvedené aplikace. Během řešení projektu bude vytvořeno jasné work-flow se zpětnovazebnou smyčkou, které bude moci být v budoucnu aplikováno na návrh materiálů s požadovanými vlastnostmi pro cílené aplikace. Z metodologického hlediska očekáváme, že během řešení projektu získáme dostatek informací k posouzení kvality používaných teoretických metod a aproximací, stejně jako ke vhodnosti používaných modelů. Dalším cílem je tedy i výběr vhodných teoretických metod a modelů, které mohou být rutinně nasazovány v oblasti cíleného designu nových materiálů.

Výzkumný program se zaměří na čtyři hlavní úkoly:

Design nanomateriálů pro akumulaci energie a popis mechanismu jejich fungování
  • Zaměření na uhlíkové materiály a vybrané nitridy, karbidy a nitrokarbidy kovů.
  • Zacílení na elektrodové materiály EDLC (Electric Double-Layer Capacitors) a elektrodové materiály Li-iontových baterií.
  • Výstupem budou vybrané vhodné materiály s definovanou strukturou a typem funkcionalizace pro dosažení vysoké účinnosti a/nebo stability v aplikacích pro ukládání energie a popis mechanismu jejich fungování.
Design a mechanismus fungování materiálů pro čištění vod, ovzduší a životního prostředí
  • Zaměření na široké spektrum materiálů od uhlíkových materiálů až po oxidy, sulfidy, karbidy a nitridy kovů.
  • Zacílení na nové sorpční materiály a nové typy heterogenních (nano)katalyzátorů, popř. redox-aktivních nanomateriálů.
Teoretický popis aplikačně důležitých vlastností vyvíjených materiálů
  • Metodologický popis strukturních, optických, magnetických, elektrických, sorpčních, katalytických vlastností nových (nano)materiálů s využitím výpočetních metod.
  • Výstupem bude vedle získaného know-how a work-flow také znalostní databáze a popis vlastností nových materiálů.

Materials Production

Odborný garant - Ing. Štěpán Kment

Cílem výzkumného programu je příprava nových (nano)materiálů inovativním přístupem, kdy jsou nejdříve nové materiály definovaných vlastností a požadované funkcionality vyhledávány a designovány pomocí teoretických výpočtu a následně syntetizovány pomocí pokročilých syntetických a depozičních technik, kterými budou ALD, magnetronové plazmatické naprašování, CVD, metody exfoliace a syntézy materiálu hydrotermálními technikami a v mikrovlnném poli. Požadavkem je reprodukovatelná příprava vysoce aktivních a stabilních (nano)materiálů pro aplikace získávání energie z obnovitelných zdrojů, nové typy (foto)katalyzátorů pro (foto)elektrochemii a organickou syntézu a materiály pro environmentální aplikace. Dalšími cíli bude propojení výpočetních metod pro prvotní návrh ideálního materiálu pro danou aplikaci a její následnou přípravu a v neposlední řadě také transfer těchto technologií u nejvhodnějších materiálů přes přípravu větších množství nebo depozice na větší plochy substrátů do poloprovozních až průmyslových měřítek výroby.

Z hlediska aplikací budou vyvíjeny tyto materiály:

Z hlediska aplikací budou vyvíjeny tyto materiály:
  • Příprava zejména na oxidy a sulfidy, telluridy kovů, nitridy kovů a materiály na bázi uhlíku.
  • Zacílení na fotokatalytické, fotoelektrochemické, fotovoltaické a plasmonické aplikace získávaní energie ze slunce.
Syntéza nanomateriálů pro akumulaci energie
  • Dominantně příprava na bázi uhlíkových materiálů a dále vybraných nitridů, karbidů a nitrokarbidy kovů.
  • Zacílení na elektrodové materiály EDLC (Electric Double-Layer Capacitors) a elektrodové materiály Li-iontových baterií.
  • Výstupem budou materiály s definovanou strukturou a typem funkcionalizace s vysokou účinností a stabilitou v aplikacích pro ukládání energie.
Syntéza materiálů pro čištění vod, ovzduší a životního prostředí
  • Široké spektrum materiálů od uhlíkových materiálů až po oxidy, sulfidy, karbidy a nitridy kovů, samotné kovy a jejich slitiny.
  • Zacílení na nové sorpční materiály a nové typy heterogenních (nano)katalyzátorů, popř. redox-aktivních nanomateriálů.
Syntéza (nano)materiálů pro moderní chemickou syntézu nové generace
  • Důraz na katalyzátoru ze skupiny nekritických kovů ve formě jednotlivých atomů s definovanou koncentrací a koordinačním okolí silně ukotvených v inaktivních i aktivních matricích.
  • Výstupem budou nové typy vysoce účinných katalyzátorů kombinujících výhody homogenní a heterogenní katalýzy v klíčových chemických syntézách.

Advanced Materials Characterization

Odborný garant - prof. Radek Zbořil

Cílem výzkumného programu je detailní popis strukturních a fyzikálně-chemických vlastností nových materiálů s možností unikátně přesného chemického a strukturního mapování na atomární úrovni. VP přinese klíčové informace pro další design nové generace materiálů a pro optimalizaci a scale up materiálů, které budou využívány pro získávání energie (fotovoltaicky aktivní materiály, materiály plnící funkci fotokatalyzátorů a fotoelektrod pro produkci vodíku přímým solárním štěpením vody, materiály pro transformaci odpadního CO2 na chemikálie s vyšší přidanou hodnotou metodou, materiály pro solární koncentrátory, solární cely, plazmonické materiály), pro moderní metody uchovávání energie (různé typy baterií, superkondenzátory, atd.) a pro pokročilé environmentální a katalytické technologie či technologie čištění vod. Pořízené charakterizační techniky budou cenné i pro spolupráci s průmyslovými partnery. Očekává se jejich rozsáhlé využití i po skončení projektu.

Výzkumný program předpokládá pořízení vysoce pokročilých analytických technik a zapojení zkušeného týmu odborníků pro:

  • Popis chemických vlastností vyvíjených materiálů – budou využity moderní metody včetně např. X-ray fotoelektronové spektroskopie (XPS) či rtg- fluorescenční spektroskopie (XRF).
  • Popis strukturních vlastností vyvíjených materiálů - budou využity například metody rtg- práškové difrakce (XRD) či nukleární magnetické rezonance (NMR) a elektronové paramagnetické rezonance (EPR). Detailní chemický a strukturní popis bude doplněn s využitím výpočetních přístupů a analýzy strukturních vlastností s aplikací vysokorozlišovacího elektronového mikroskopu (HRTEM) včetně možností chemického mapování (HAADF) a strukturní analýzy (EELS. EDS)
  • Popis velikostních a morfologických vlastností materiálů – budou použity metody dynamického rozptylu světla (DLS), mikroskopie atomárních sil (AFM) či skenovací elektronové mikroskopie vysokého rozlišení (HRSEM).
  • Popis povrchových vlastností materiálů - bude realizován s využitím měření adsorpčně-desorpčních izoterem, BET měření plochy povrchu a zeta-potenciálu.
  • Popis aplikačních (optických, magnetických. elektrických) vlastností materiálů - pro tyto účely budou využity například metody EPR, IČ a Ramanovy spektroskopie, fotoluminiscenční spektroskopie, elektrochemická měření, vibrační magnetometrie a speciální mody měření AFM.

Materials in Catalysis and Environmental Technologies

Odborný garant - prof. Daniela Plachá

Výzkumný program bude zaměřen na vývoj nových nano- a biotechnologií pro čištění vod a kultivaci krajiny po uhelné těžbě. Pozornost bude zaměřena na nové technologie pro čištění a úpravu důlních, odpadních a podzemních vod a řešení starých ekologických zátěží. Součástí VP bude výzkum nových typů katalyzátorů (single atom catalysts, nanokatalyzátory) pro ekologicky šetrné a účinnější chemické výroby a pro aplikace v oblasti odstraňování emisí (COx, NOx) a skleníkových plynů, v úzké spolupráci s Energy Lab. Budou také vyvíjeny nové typy recyklovatelných sorbentů na bázi nanomateriálů pro vysoce účinné selektivní čištění odpadních vod či znovuzískávání vzácných kovů.

V rámci výzkumného programu budou navrženy, syntetizovány, charakterizovány a v praktických aplikacích testovány zejména následující kategorie materiálů:

  • Nanomateriály na bázi kovů a oxidů kovů (Fe a FeOx) pro reduktivní/oxidační technologie čištění vod včetně možnosti in situ sanace znečištěných podzemních a důlních vod
  • Pokročilé nízkodimenzionální sorbenty na bázi funkcionalizovaného grafenu, grafenové kyseliny, cyanografenu a jiných derivátů pro čištění odpadních a povrchových vod s akcentem na odstraňování toxických kovů, endokrinních disruptorů či metabolitů léčiv
  • Nanokatalyzátory pro katalytické transformace COx a NOx
  • Single atomové katalyzátory (SAC) ukotvené v grafenové matrici pro aplikace ve vybraných procesech organické syntézy
  • SAC ukotvené v matricích oxidů kovů pro pokročilé fotokatalytické a elektrokatalytické aplikace
  • Materiály na bázi kovových organických sítí (Metal Organic Frameworks – MOF) pro odstraňování olejových frakcí a rozpouštědel z vod (superoleofilní materiály); využití také jaké matrice pro ukotvení SAC a aplikace v katalýze
  • Tenké 2D vrstvy připravené metodami ALD či CVD depozice pro ukotvení vybraných SAC a testování ve vybraných průmyslových výrobách s možností rychlého scale-upu
  • Non-van der Waals 2D materials – 2D analogy grafenu připravené metodami chemické exfoliace pro přímé testování v heterogenní katalýze s možností ukotvení single atomů s využitím defektního inženýrství

Energy Storage and Harvesting with Nanomaterials

Odborný garant - Dr. Aristeidis Bakandritsos

V rámci výzkumného programu budou vyvinuty pokročilé a udržitelné materiály fungující jako (foto)-(elektro)-katalyzátory pro účinný sběr slunečního záření a jeho přeměnu na další zdroje udržitelné energie, jako je fotovoltaická elektřina, fotokatalytický a fotoelektrochemický vodík a uhlovodíky a chemikálie s vysokou přidanou hodnotou. Stejně tak se projekt zaměří na vývoj nových aktivních materiálů používaných jako elektrody pro post-lithiové EES. V obou aplikacích se vědci zaměří na využití nekritických a dostupných kovů. V případě získávání energie se jedná o titan, železo, měď, kobalt a podobně ve formě oxidů, sulfidů, selenidů, telluridů a nitridů a v případě EES sodík, draslík, zinek a hliník.

Advanced Materials Technologies for Green Industry

Odborný garant - doc. Kateřina Skotnicová

Výzkumný program bude zaměřen na vývoj progresivních technologií přípravy materiálů zejména ze skupiny komplexně koncentrovaných slitin (CCA) pro náročné konstrukční aplikace například v oblasti ukládání, skladování a transportu alternativních paliv. Tyto materiály budou připravovány ve formě odlitků i v práškové formě s navazujícím zpracováním aditivními výrobními procesy. Výzkum obsáhne celý komplex aktivit od procesu přípravy materiálů přes vývoj vhodného typu mikrostruktury tepelným zpracováním až po studium materiálových a mechanických vlastností především za zvýšených teplot. Hrubozrnná struktura odlévaných slitin bude zjemněna během jejich tváření za tepla a za studena. Budou stanoveny vztahy mezi mikrostrukturou, mechanickými vlastnostmi a deformačním chováním. Jedním z cílů bude také výzkum vlivu vodíku na mechanické vlastnosti a deformační chování vybraných komplexně koncentrovaných slitin a intermetalických slitin.

Výzkumníci se zaměří na tyto konkrétní činnosti:
Design a příprava slitin

Slitiny ze systému Cr-Co-Ni-X-(Al, Ti, Nb, Ta) budou připraveny technikou VIM z čistých kovů s následným odstředivým odléváním do keramických forem. Návrh slitin bude podpoří termodynamické výpočty a výpočty fázových diagramů pro vícesložkové systémy pomocí softwaru Thermo-Calc a CALPHAD a studium reologických vlastností daných slitin. Vybrané slitiny v práškové formě pro aditivní výrobu (metoda SLM) nebo injekční vstřikování kovů budou získány atomizací taveniny plynem.

Tváření odlitků

Parametry tváření odlévaných materiálů budou predikovány numerickým modelováním a experimentálně optimalizovány simulačními experimenty. Experimenty tváření za tepla a za studena mají za cíl připravit vysoce pevné slitiny s požadovanou reprodukovatelnou velikostí zrna.

Tepelné zpracování a optimalizace mikrostruktury

Tepelné zpracování bude sestávat z rozpouštěcího žíhání, kalení a precipitačního vytvrzování. Rovněž budou prováděny dodatečné žíhací operace za účelem modifikace velikosti a objemového podílu precipitátů

Analýza chemického složení a popis mikrostruktury

Chování při tuhnutí a fázové transformaci v pevné fázi budou studovány pomocí metod DTA, DSC a kalení během techniky směrové krystalizace (QDS). Chemické složení bude stanoveno technikami EDS, WDS, XRF a OES. Mikrostruktura bude analyzována pomocí LOM, EBSD, SEM/FIB a TEM. Fázové složení bude studováno pomocí XRD.

Stanovení mechanických vlastností

Vliv mikrostruktury na mechanické vlastnosti bude zkoumán stanovením nanotvrdosti, mikrotvrdosti a tvrdosti, pomocí tahových zkoušek za pokojových i zvýšených teplot, dynamická lomová houževnatost bude hodnocena pomocí Charpyho rázových zkoušek při teplotách do -80 °C.

Modelování deformačního chování a lomu

Analytické metody a simulace MKP budou použity pro modelování chování slitin v tahu, kvazistatickém tříbodovém ohybu a rázové houževnatosti. Numerické modelování pomocí MKP bude použito k predikci deformačního chování slitin a optimalizaci parametrů tváření.