Anyagtudományi kiválósági műhely jött létre

A Természet­tudományi Kutató­központ Anyag- és Környezet­kémiai Intézet vezetésé­vel, a BME Vegyész­mérnöki és Bio­mérnöki Kar, valamint az ELTE TTK Kémiai Intézet részvételével alakult konzorcium­ban dolgozó kutató­­csoportok közös kutatásokat folytattak 2017. július 1. és 2022. március 31. között a VEKOP-2.3.2-16-2017 pályázaton elnyert támogatás segítségével. A projekt keretében létre­hoztak egy új tudás­központot, amelyben a részt­vevők – a kompetenciáik szinergiáját kihasználva – együtt, a korábbinál hatékonyab­ban végeznek magas szintű alap­kutatáso­kat az anyag­tudomány területén.


A projektben folytatott alapkutatások célja ipari felhasználásra alkalmas új anyagok és eljárások fejlesztése, egyrészt a biomassza-eredetű anyagok újszerű hasznosí­­­tá­sa, másrészt az energiatárolás és -felszabadítás területén. A biomassza hatékony hasznosítása céljából olyan eljárásokat fej­lesztettek, amelyekkel a lehető legtöbb komponens feldolgozá­sával a lehető legértékesebb nyersanyagok vagy üzemanyagok állíthatók elő. A vizsgálatok egyik fontos tárgya a ligno­cellulóz, a növények vázanyaga, amely a növényi biomassza feldolgozásakor általában hulladékként jelenik meg.

A lignocellulóz egy előzetes kezelésének tekinthető eljárás a pirolízis, amellyel csökkenteni lehet a biomassza nedvességtartalmát és növelni az energiasűrűségét és őrölhetőségét. A technológiafejlesztés megalapozására részletesen felmérték, hogyan lehet a pirolízis körülményeinek változtatásával szabályozni a keletkező termék összetételét és termikus tulajdonságait.

Termikus plazmaszintézisből származó ZrO2 szemcsék pásztázó elektronmikroszkópos felvétele.

Magyarországon nagy mennyiségben keletkezik lignocellulóz-alapú biomassza az élelmiszeriparban. Ennek hasznosítására kidolgozták egy integrált biofinomító eljárás koncepcióját, amely búza­korpa, kukoricarost vagy sörtörköly alapanyagból kiindulva xilit, arabinóz és energia előállítását teszi lehetővé.

Ligninből és különböző polimerekből olyan hibrid kompozitokat hoztak létre, amelyek merevsége, szakító­szilárdsága és ütés­állósága az ipari alkalmazáshoz is megfelelő, a természetes társító­anyagok akár 50-70 százalékos mennyisége mellett is.

Heterogén katalitikus eljárásokat fejlesztettek oxigén­tartalmú poli­szacharid-származé­kok elő­állítására: etanol, levulinsav, valamint lignin­származé­kok érték­növelt termékekké, például bu­tanollá, butadiénné, ciklo­alkánokká és aromásokká alakítására. Elsősorban fémoxid katalizátoro­­kat szintetizál­tak, például módosított alumínium-oxidot (Al2O3), magnézium-oxid–szilícium-dioxid (MgO–SiO2) vegyes oxidokat és azok dehidrogénező aktivitását gallium-oxid (Ga2O3), indium-oxid (In2O3) és cink-oxid (ZnO) bevitelével növelték.

A biomassza-eredetű hajtó­anyagokat felhasználó motorok ter­vezésének egyik alapvető eszköze a számító­gépes szimuláció. Ennek alapja az üzemanyag komponensei­nek oxidációja folyamán lejátszódó reakciókat tartalmazó összetett kémiai modell. E célra kidolgozták a nagy mennyiségben gyártott aceton-butanol-etanol elegy két komponense, az aceton és a butanol oxidációjának eddigi leg­megbízhatóbb reakció­kinetikai modelljét az összes, az irodalomban elérhető kísérleti adat és reakció­modell kiértékelése alapján.

A projekt másik kutatási területén az energia kémiai és elektrokémiai formában történő tárolására folytattak alapkutatást, továbbá módszereket fejlesztettek az így tárolt energia szabályozott felszabadítására.

Biomassza-eredetű, tengeri algákból kivonható alginátok felhasználásával nagy hőkapacitású mikro­kapszulákat állítottak elő. A kapszulákban elhelyezett fázisváltó anyagok az olvadáshő fel­vételével és leadásával képesek épületek és hűtött élelmiszerek hőmérséklet-változásának moderálására.

Alginátburkolatú hőtároló kapszula elektronmikroszkópos képe.

A molekuláris hidrogénből mint környezet­kímélő energia­hordozóból szabályozható körülmények közt hatékonyan szabadítható fel energia elektro­katalitikus folyamatokban polimer-elektro­lit membrán tüzelő­anyag-cellák (PEM TC-k) segítségével. A PEM TC-k egyik kritikus alkotórésze a katalizátor, a másik a membrán. A projektben molibdénnel adalékolt titán-dioxid (TiO2) és szén kompozitjából ígéretes új hordozót készítettek a PEM TC-k elektro­katalizátoraihoz, amely a rá leválasztott platinának igen jó stabilitást és egyedülálló szén-monoxid-tűrő­képességet biztosít. Tökéletesítették a TiO2 (rutil) alapú Ti0,8M0,2O2–C több­funkciós kompozit hordozók előállítási módszerét különböző szén­anyagok esetére. Eljárást dolgoztak ki rezorcin – formaldehid, illetve tengeri bio­masszából kivont karragén hidrogélekből kiindulva nagy fajlagos felületű nanostrukturált szén aerogélek előállítására, amelyek lehetővé teszik a katalitikus aktivitás széles skálájú hangolását.

Grafén-oxiddal adalékolt rezorcin-formaldehid hidrogélből hőkezeléssel előállított szén aerogél transzmissziós elektronmikroszkópos felvétele.

Tüzelőanyag-cellákhoz újfajta proton­vezető polimer membrán­anyagok kifejlesztése céljából különböző láncszerkezetű, kén- és foszfor­tartalmú savas funkciós csoportokkal ellátott makro­molekulákat állítottak elő és jellemeztek. Kutatásaik során több, ígéretesnek tűnő polimer­családot is azonosítottak, amelyek további fejlesztések kiinduló­pontjául szolgálhatnak.

Előnyös tulajdonságú tüzelő­anyag-cellák konstruálhatók szilárd oxid elektrolitokkal is. E berendezések előnye, hogy hatásfokuk elérheti a 70 százalékot, üzem­anyag-rugalmasak, és nincs folyadék­fázisú össze­tevőjük; hátrányuk viszont, hogy magas hőmérsékleten üzemelnek. A projekt keretében olyan, szabályozható össze­tételű és kristály­szerkezetű, dópolt cirkónium-dioxid (ZrO2) nano­részecskékből álló elektród­anyagot állítottak elő, amely alkalmas lehet alacsonyabb hőmérsékleten működő TC-k kialakítására.

Mérőmódszert fejlesztettek, amely alkalmas elektrokémiai energia­tároló eszközök (akkumulátorok) üzem­állapotának köve­té­sére. Mérő­berendezést építettek a módszer, a dinamikus elekt­ro­kémiai impedancia­­spektroszkópia (dEIS) alkalmazásához. Meg­alkották a dEIS-eredmények értelmezésére szolgáló átfogó elmélet­család magját: a levezetések elektród­felületeken végbe­menő töltés­átmenet tömör, egzakt kinetikai egyenleteit eredményez­ték. Ezek az egyenletek a mérési körülményektől függetlenek, csak a mért rendszer tulajdonságait jellemzik.

Átfolyásos cellák tesztelésére összeállított elektrokémiai mérőrendszer.

Ígéretes új kinon­származéko­kat állítottak elő folyadék­áramlásos akkumulátorokhoz.

A kutatások eredményeiből eddig 183 folyóiratcikk jelent meg, közülük 92 Q1, ebből 32 D1 minősítésű, továbbá 12 PhD-dolgozat és 4 talál­mányi bejelentés is készült.
A projekt során számos együtt­működés alakult ki a részt vevő három intézmény 15 kutató­csoportja között. Ezzel teljesült a projekt fő cél­kitűzése, a közös anyag­tudományi műhely létrehozása.

 
Archívum
 2011  2012  2013  2014  2015  2016  2017  2018  2019  2020  2021  2022
Címkék

Innotéka