Projekta nosaukums: Nanostrukturēto termoelektrisku materiālu izstrāde un to pielietojums siltumizolācijas paneļos ēku energoefektivitātes palielināšanai

Projekta līguma numurs: 1.1.1.1/20/A/144

Projekta partneri: SIA "3D Strong"

Projekta īstenošanas termiņš: 01.06.2021.–30.11.2023. 

Projekta kopējais finansējums: 537 500.00 EUR, LU daļa 322 500.00 EUR

Projekta zinātniskais vadītājs: vadošā pētniece, Dr. PhysJana Andžāne

Administratīvais vadītājs: vecākā eksperte Linda Ungure

Projekta mērķis: attīstīt videi draudzīgus nanostrukturētus termoelektriskos materiālus, kuru pamatā ir metāla oksīdu nanostruktūru un oglekļa nanocaurulīšu tīklojumi; izveidot elastīgas termoelektriskas plānās kārtiņas; demonstrēt termoelektriskās siltumizolācijas paneļu prototipus plakanu (sienu, grīdu, jumta) un izliektu (karstā ūdens cauruļu, skursteņu) ēku konstrukcijas elementu siltumizolācijai.

Projekta galvenie rezultāti u.c. informācija par projekta īstenošanu: projekta galvenie plānotie rezultāti ir 2 jaunu produktu prototipu (TRL4) izstrāde: taisna (plakana) termoelektriskā siltumizolācijas paneļa prototips ar 10 termoelektriskiem elementu pāriem, kuru pamatā ir MO nanovadu tīklojumi, un izliekta termoelektriskā siltumizolācijas paneļa prototips ar 10 termoelektriski elementu pāriem, kuru pamatā ir CNT-MO nanostrukturēti tīklojumi, 5 zinātniskās publikācijas, 5 tehnoloģiskās instrukcijas, 1 Latvijas patents un 1 licences līgums, 7 prezentācijas starptautiskās konferencēs.

Publicēts 01.06.2021.

01.06.2021.–31.08.2021.

LU. Ar termiskās oksidācijas metodi, izmantojot kā izejvielu vara un cinka foliju, veiktas vara oksīda un cinka oksīda nanovadu sintēzes. Tika veikta sintezēto nanovadu morfoloģijas izpēte ar skenējošo elektronu mikroskopiju un noteikts, ka nanovadi aug no pamatnes, veidojot “mežu” no brīvi stāvošiem atsevišķiem nanovadiem. Notiek darbs pie metodes izstrādes nanovadu elektriski vadošu tīklojumu sagatavošanai no sintezētiem nanovadiem. Tīklojumu veidošanai tiek izmantotas mehāniskās pārneses vai smidzināšanas metodes.

SIA 3D Strong. Ar ķīmisko tvaiku nogulsnēšanas metodi sintezētas daudzsienu oglekļa nanocaurulītes. No sintezētām nanocaurulītēm ar smidzināšanas metodi tika sagatavoti tīklojumi uz stikla pamatnēm. Tiek veikta tīklojumu raksturošana: tiek noteikta tīklojumu morfoloģija, elektriskā vadāmība, vadāmības tips, termoelektriskās īpašības.

Publicēts 01.09.2021.

01.09.2021.-30.11.2021.

LU. Sagatavoti pirmie cinka oksīda un vara oksīda nanovadu tīklojumi starp elektrodiem, izmantojot dielektroforēzes un mehāniskās pārneses metodes. Notiek tīklojumu morfoloģijas, elektriskās vadāmības, termoelektrisko īpašību mērījumi. Noteikts, ka izveidotajiem nanovadu tīklojumiem ir liela elektriskā pretestība, kas varētu būt saistīta ar to, ka neveidojas labi elektriskie nanokontakti nanovadu pārklāšanas vietās. Nanokontaktu kvalitātes uzlabošanai uzsākti izveidoto tīklojumu izkarsēšanas eksperimenti gaisā, vakuumā un inertā atomsfērā.

SIA 3D Strong. Veikti izveidoto un raksturoto (morfoloģija, elektriskā vadāmība, termoelektriskās īpašības) oglekļa nanocaurulīšu tīklojumu izkarsēšanas eksperimenti gaisā, pēc kuriem ir veikta atkārtota tīklojumu morfologijas, elektrisku un termoelektriski īpašību raksturošana. Oglekļa nanocaurulītes ar labu termisko izturību ir izmantotas tīklojumu sagatavošanai uz metāla (varš, cinks) folijas pamatnēm ar smidzināšanas metodi.

Projekta rezultāti prezentēti tiešsaistes konferencē “7th International Conference on New Trends in Chemistry” 25.-26.09.2021. mutiskā referātā

R. Sondors, D. Gavars, M, Ramma, D. Erts, J. Andzane “Synthesis and dielectrophoretic alignment of metal oxide nanowires for applications in diverse devices”

Publicēts 01.12.2021.

01.12.2021.-28.02.2022.

LU. Veikti cinka oksīda un vara oksīda nanovadu tīklojumu izkarsēšanas eksperimenti. Nanovadu tīklojumu elektriskās vadāmības un Sībeka koeficienta mērījumi parādīja, ka izkarsēšanas rezultātā abi šie parametri uzlabojas. Notiek izkarsēto tīklojumu morfoloģijas izpēte, kā arī to ķīmiskā sastāva noteikšana ar rentgenstaru fotoelektronu spektroskopijas metodēm, lai noskaidrotu elektrisko un termoelektriski īpašību uzlabošanās mehānismus. Uzsākta nanovadu tīklojumu iekapsulēšana videi draudzīgās (piemēram, polivinilspirts, agaroze) saistvielās. Uzsākta nanovadu tīklojumu sintēze uz metāls-oglekļa nanocaurulīšu pamatnēm.

SIA 3D Strong. Sintezētas un izkarsētās gaisā viensienu oglekļa nanocaurulītes ar p-tipa vadāmību un daudzsienu oglekļa nanocaurulītes ar n-tipa vadāmību. Izkarsētās oglekļa nanocaurulītes ir izmantotas metāls-oglekļa nanocaurulītes pamatņu sagatavošanai ar smidzināšanas metodi. Uzsākta nanocaurulīšu virsmu funkcionalizēšanas, mehāniski ieviešot defektus nanocaurulīšu ārējās čaulās, metodes izstrāde.

Aktuālie projekta rezultāti prezentēti tiešsaistes konferencē “Latvijas Universitātes 80. starptautiskā zinātniskā konference 2022 / 80th International Scientific Conference of the University of Latvia 2022”, 04.02.2022., mutiskā referātā:

D. Gavars, R. Sondors, D. Erts, J. Andzane “Methods for fabricating networks from copper oxide nanowires synthesized by thermal oxidation”

Publicēts 01.03.2022.

01.03.2022. – 31.05.2022.

LU. Notiek iekapsulēto p- un n- tipa metāla oksīdu nanovadu tīklojumu paraugu elektrisko un termoelektrisko īpašību izpēte un salīdzinājums ar neiekapsulēto paraugu īpašībām. Noteikts, ka dažas iekapsulēšanas vielas būtiski uzlabo nanovadu tīklojumu Zēbeka koeficientu un elektrisko vadāmību. Uzsākta metodes izstrāde iekapsulēto nanovadu tīklojumu noņemšanai no stikla virsmas. Uzsākta metāla oksīdu-oglekļa nanocaurulīšu hibrīdstruktūru morfoloģijas un struktūras izpēte ar elektronu mikroskopijas un rentgenstaru difrakcijas metodēm.

SIA 3D Strong. Turpinās metāls-oglekļa nanocaurulītes pamatņu sagatavošana, izmantojot dažādu tipu nanocaurulītes un pārklājot izveidotus ar smidzināšanas metodi oglekļa nanocaurulīšu tīklojumus ar termiski uzputināto metāla (varš, cinks) slāni. Uzsākta ar argona joniem apstrādāto oglekļa nanocaurulīšu īpašību izpēte.

Projekta popularizēšanas pasākumi:

2022. gada 08. aprīlī tika novadīta LU ĶFI Atvērto Durvju diena Rīgas 10. vidusskolas 11.-12. klašu skolēniem, kurā tika prezentēti projekta ideja un aktuālie rezultāti.

2022. gada 14. aprīlī novadīta ekskursija Latvijas skolu ķīmijas skolotājām, kuras laikā tika pastāstīts par projekta ideju un aktuāliem rezultātiem.

2022. gada 22. aprīlī tika novadīta LU ĶFI Atvērto Durvju diena Rīgas Klasiskās ģimnāzijas 10.-11. klašu skolēniem, kurā tika prezentēti projekta ideja un aktuālie rezultāti.

Publicēts 01.06.2022.

01.06.2022. – 31.08.2022.

LU. Turpinās metodes izstrāde iekapsulēto nanovadu tīklojumu noņemšanai no stikla virsmas. Noskaidrots, ka pilnībā sacietējusi saistviela apgrūtina iekapsulēta parauga atdalīšanu no stikla. Notiek izpēte pie kādām polimēra sacietēšanas pakāpēm iekapsulēto tīklojumu var noņemt no stikla virsmas, to nesabojājot. Metāla oksīdu-oglekļa nanocaurulīšu hibrīdstruktūru morfoloģijas un struktūras izpēte ar elektronu mikroskopijas metodēm parādīja, ka metāla-oglekļa nanocaurulīšu pamatņu termiskās oksidācijas pakāpe ir atkarīga no tā, kādā veidā tika sagatavota pamatne. Gadījumā, kad metāla pamatne tika pārklāta ar oglekļa nanocaurulīšu tīklojumu, termiskās oksidācijas rezultātā veidojas metālu oksīdu nanovadi, kuri izaug cauri tīklojumam. Savukārt, kad metāls ir uzputināts uz oglekļa nanocaurulīšu tīklojuma, termiskās oksidācijas rezultātā apkārt nanocaurulītēm veidojas  metālu oksīdu čaulas. Notiek metāla oksīdu nanovadu-oglekļa nanocaurulīšu elektrisko un termoelektrisko īpašību izpēte.

SIA 3D Strong. Turpinās dažādu oglekļa nanocaurulīšu tipu apstrāde ar argona joniem, apstrādāto nanocaurulīšu struktūras, morfoloģijas, elektrisko īpašību raksturošana, metāls-oglekļa nanocaurulītes pamatņu sagatavošana, izmantojot ar argona joniem apstrādātas oglekļa nanocaurulītes: (1) pārklājot metāla pamatnes ar oglekļa nanocaurulīšu slāni un (2)  pārklājot oglekļa nanocaurulīšu tīklojumus ar termiski uzputinātu metāla (varš, cinks) slāni.

Projekta popularizēšanas pasākumi:

Projekta ideja un aktuālie projekta rezultāti ir prezentēti starptautiskā zinātniskā konferencē "Joint International Conference Functional Materials and Nanotechnologies and Nanotechnology and Innovation in the Baltic Sea Region" FM&NT-NIBS 2022, 03.-06.07.2022., Rīgā, Latvijā:

  • J. Andzane, R. Sondors, D. Gavars, M. Baitimirova, M.V. Katkov, D. Erts "Application of nanostructured materials for flexible thermoelectrics and energy-efficient buildings", mutiskais referāts
  • D. Gavars, R. Sondors, J. Andzane, D. Erts "Thermoelectric properties of copper oxide nanowire networks", stenda referāts.

Publicēts 01.09.2022.

01.09.2022. – 30.11.2022.

LU. Izpētītas CuO, Cu2O un ZnO nanovadu tīklojumu termoelektriskās īpašības. Noskaidrots, ka Cu2O nanovadu tīklojumiem salīdzinājumā ar CuO nanovadu tīklojumiem ir ļoti augsts Zēbeka koeficients (ap 2000 mV/K), kā arī par vairākām kārtām mazākā elektriskā pretestība. Tas nozīmē, ka Cu2O nanovadi ir ļoti perspektīvs materiāls pielietojumiem termoelektriskās ierīcēs. Savukārt, sintezētiem ZnO nanovadu tīklojumiem ir pārāk liela elektriskā pretestība (GΩ) un Zēbeka koeficients ap -80 mV/K. Lai samazinātu ZnO nanovadu tīklojumu elektrisko pretestību un palielināt to Zēbeka koeficientu, ir veikta nanovadu tīklojumu iekapsulēšana kā saistvielu izmantojot komerciāli pieejamo epoksīdlīmi. Iekapsulēšana ļauj samazināt ZnO nanovadu tīklojumu pretestību par 2-3 kārtam un vienlaicīgi vismaz 10 reizēs palielināt Zēbeka koeficientu. Izstrādātas divas tehnoloģiskās instrukcijas par Cu2O un ZnO nanovadu tīklojumu sintēzi.

SIA 3D Strong. Turpinās metālu-oglekļa nanocaurulīšu pamatņu sagatavošana, tai skaitā tiek izgatavotas daudzslāņu pamatnes, kad secīgi tiek uzklāti oglekļa nanocaurulīšu un metāla (Cu vai Zn) dažādu biezumu slāņi. Uzsākta oglekļa nanocaurulīšu atdedzināšana argona/ūdeņraža atmosfērā (-COO) grupu atdalīšanai no nanocaurulīšu virsmām. Notiek eksperimentālais darbs pie nanostrukturēto tīklojumu mehāniskās stabilitātes izpētes – tiek izstrādāti pārklājumu noņemšanas no cietām virsmām paņēmieni, kā arī izsākti pārklājumu locīšanas eksperimenti  uz lokanām virsmām uznestiem pārklājumiem.

Zināšanu izplatīšanas un popularizācijas pasākumi:

Sagatavoti un iesniegti sekojošie raksti zinātniskajos žurnālos:

  1. J. Kosmaca, J. Katkevics, J. Andzane, R. Sondors, L. Jasulaneca, R. Meija, K. Niherysh, D. Erts “Humidity-dependent electrical performance of assembled CuO nanowire networks studied by electrochemical impedance spectroscopy” iesniegts žurnālā Beilstein Journal of Nanotechnology;
  2. M. Baitimirova, R. Sondors, A. Kons, J. Andzane “Improvement of thermoelectrical properties of self-assembling ZnO nanowire networks by encapsulation in epoxy adhesive” iesniegts žurnālā Materials Today Communications;
  3. R. Sondors, D. Gavars, A. Sarakovskis, A. Kons, J. Andzane “Facile fabrication of Cu2O nanowire networks with large Seebeck coefficient for application in flexible thermoelectrics” iesniegts žurnālā Materials Science in Semiconductor Processing.

Projekta aktuālie rezultāti prezentēti sekojošās starptautiskās zinātniskās konferencēs:

  1. Konferencē "24-th International Conference-School Advanced Materials and Technologies 2022 (AMT-2022)" 22.-26.08.2022., Palanga, Lietuva:

D. Gavars, R. Sondors, J. Andzane, D. Erts "Production of Copper Oxide Nanowire Netowrk for Thermoelectric Applications" (stenda referāts)

2. Konferencē “International Conference on Materials Science (3d-ICOMAS), 26.-28. Oktobris 2022, Verona, Itālija:

D. Gavars, R. Sondors, A. Sarakovskis, D. Erts, J. Andzane "Thermoelectric applications of metal oxide nanowire networks fabricated by thermal oxidation technique" (stenda referāts).

Lekcijas, semināri, populārzinātniskie pasākumi:

  1. Projekta ideja un galvenie rezultāti prezentēti Zinātnieku Nakts 2022 pasākumā, kurš notika LU ĶFI telpās 30.09.2022.
  2. 21.10.2022. organizēta lekcija/seminārs LU Fizikas, Matemātikas un Optometrijas fakultātes bakalaura studiju programmas 2. un 3. kursa fizikas studentiem par projekta tematiku.

Publicēts 01.12.2022.

Pēdējās izmaiņas veiktas