Znanstvenici s Instituta Ruđer Bošković za Financije.hr: Fosfatna stakla imaju potencijal za primjenu u industriji baterija

Iako je staklo materijal naše svakodnevice i jedan od najstarijih materijala koje je čovjek proizveo, zbog jedinstvenih svojstava predmet je intenzivnih istraživanja znanstvenika diljem svijeta.

Tako su i znanstvenici s Instituta Ruđer Bošković (IRB), istražujući fosfatna stakala i staklo-keramike, otkrili kako prilagodbom svojstava povećati njihov potencijal za napredne tehnološke primjene u dizajniranju boljih materijala za baterije nove generacije i katalizatore.

Istraživanja su provedena u okviru projekata financiranih sredstvima Hrvatske zaklade za znanost pod nazivima „Detaljan uvid u mehanizme polaronske i ionske vodljivosti u oksidnoj staklo-(keramici) POLAR-ION-GLASS (IP-2018–01–5425) i Projekt razvoja karijera mladih istraživača – izobrazba novih doktora znanosti (DOK-2021-02-9665).”

U sklopu svojeg doktorskog istraživanja, Sara Marijan, doktorandica Hrvatske zaklade za znanost (HrZZ) i znanstvena asistentica u Laboratoriju za funkcionalne materijale, pod vodstvom dr. sc. Luke Pavića, te izv. prof. dr. sc. Jane Pisk s Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu (PMF), bavi se složenim četverokomponentnim sustavima stakala i staklo-keramika iz sustava Na₂O-V₂O₅-P₂O₅-Nb₂O₅ čija se posebnost krije u činjenici da uz Na₂O, ova fosfatna stakla-(keramike) sadrže i dva različita TMO koja mogu značajno utjecati na postizanje visokih vrijednosti električne provodnosti te na mehanizam električne vodljivosti.

Prvi korak na tom putu je sinteza stakla koja se radi klasičnom metodom hlađenja taline, koju smo uveli u LFM-u, kao novitet 2021. godine, a o tajnama staklarskog zanata doktorandice Marta Razum i Sara Marijan imale su priliku učiti u istraživačkoj grupi prof. Petra Mošnera i prof. Ladislava Koudelkom sa Sveučilišta u Pardubicama s kojim surađuju već godinama. Stakla koja sintetizira, doktorandica Sara Marijan dalje proučava s pomoću različitih metoda koje joj omogućavaju da stekne uvid u njihova strukturna, termička i električna svojstva kako bi otkrila kako poboljšati njihovu električnu vodljivost.

Za Financije.hr, Sara Marijan, dr. sc. Luka Pavić, izv. prof. dr. sc. Jane Pisk pojašnjavaju što su točno ova stakla i koju primjenu mogu imati u gospodarstvu.

Što su fosfatna stakla?

“Fosfatna stakla su posebna vrsta oksidnih stakala. Primjerice, silikatna stakla su najpoznatija vrsta oksidnih stakala i najčešće su korištena u svakodnevnom životu, nalaze se u naočalama, prozorima, ekranima mobitela i staklenom posuđu, optičkim kabelima. No i fosfatna stakla zaslužuju posebnu pažnju zbog svojih jedinstvenih svojstava koja ih čine izuzetno vrijednim materijalima u suvremenoj tehnologiji. Za razliku od silikatnih stakala koja zahtijevaju visoke temperature priprave od 1400 do 1600 °C, fosfatna stakla mogu se pripraviti pri značajno nižim temperaturama, što čini cijeli proces energetski učinkovitijim. To je moguće zahvaljujući njihovom niskom talištu i staklištu te niskoj viskoznosti taline, što znači da se lako mogu oblikovati i obrađivati. Zbog ovih karakteristika, fosfatna stakla mogu se koristiti kao materijali za brtvljenje, skladištenje radioaktivnog otpada ili kao komponente optičkih uređaja, poput lasera. Fosfatna stakla također su obećavajući kao biokompatibilni materijali koji se koriste u medicini kao implantati, umetci u tijelu i kostima, jer su svojim sastavom bliski hidroksiapatitu, mineralu od kojeg su naše kosti uglavnom građene. Osim toga, fosfatna stakla mogu pokazivati visoku električnu vodljivost, što omogućuje njihovu primjenu u elektrokemijskim uređajima kao što su baterije, gdje mogu služiti kao elektroliti ili elektrodni materijali, ovisno o tipu vodljivosti.

S kemijskog gledišta, fosfatna stakla sastoje se od PO₄ tetraedara koji se međusobno povezuju tvoreći staklenu mrežu, slično kao SiO₄ tetraedri u silikatnim staklima. Razlikujemo ultrafosfate, metafosfate, pirofosfate i ortofosfate ovisno o načinu povezivanja ovih jedinica. Međutim, čista fosfatna stakla imaju jedan nedostatak jer je 3D mreža ultrafosfatnog stakla izrazito higroskopna, što znači da reagira s vlagom iz zraka. Dodavanjem različitih modifikatora, poput oksida alkalijskih metala kao što su litijev i natrijev oksid, te intermedijera kao što su oksidi prijelaznih metala, željeza, molibdena, volframa, vanadija i niobija i dr., mogu se značajno poboljšati njihova fizička i kemijska svojstva, kao što su kemijska stabilnost i električna vodljivost.

Naš rad usmjeren je na sintezu novih fosfatnih stakala koja će pokazivati poboljšana termička i električna svojstva, što je ključno za njihovu primjenu u baterijama. Posebno nas zanimaju njihova električna svojstva, koja možemo kontrolirati prilagodbom sastava stakla. Na primjer, dodavanjem oksida alkalijskih metala fosfatna stakla postaju ionski vodljiva, dok dodatkom oksida prijelaznih metala pokazuju elektronsku vodljivost. Ovaj pristup nam omogućuje da jednostavnim promjenama u sastavu prilagodimo stakla za različite tehnološke zahtjeve. Možemo zaključiti da su fosfatna stakla vrlo fleksibilni materijali s velikim potencijalom u raznim tehnološkim primjenama, od biokompatibilnih materijala do komponenti za napredne optičke i elektrokemijske uređaje.”

Što je staklo-keramika?

“Osim promjenom sastava stakala, fino ugađanje električnih svojstava u proučavanim sustavima moguće je postići kontroliranom kristalizacijom pri čemu nastaje staklo-keramika, kompozitni materijal koji sadrži jednu ili više kristalnih faza te amorfnu fazu koja se sastavom uglavnom razlikuje od početnog stakla. Također, staklo-keramike je moguće prirediti spontanom kristalizacijom do koje dolazi uslijed hlađenja iz taline ako se odabrani sastav nalazi izvan granice područja nastajanja stakla (engl. glass forming region, GFR). U odnosu na početno amorfno staklo, staklo-keramika je heterogeni sustav čija se makroskopska svojstva mijenjaju ovisno o promjeni mikrostrukture. Shodno tome, električna svojstva staklo-keramike ovise o vrsti i veličini kristalnih zrna, njihovoj raspodjeli i udjelu unutar amorfne matrice te se mogu kontrolirati uvjetima u kojima se provodi kontrolirana kristalizacija (vrijeme, temperatura, atmosfera).

Od posebnog su interesa istraživanja električnog transporta u nanostrukturiranoj staklo-keramici temeljenoj na V₂O₅-P₂O₅ sustavu koja pokazuje znatno bolja električna svojstva u odnosu na polazno staklo. Značajno povećanje električne vodljivosti objašnjeno je jezgra-ljuska (engl. core-shell) modelom prema kojemu velik broj malih kristalita čije se ljuske obogaćene V₂O₅ međusobno preklapaju pri čemu nastaje olakšani vodljivi put za polaronski transport.”

O ovoj temi nema puno istraživanja. Koja nova svojstva ste otkrili u svom radu?

“Problematika kojom se ponajviše bavimo u LFM-u je detaljno istraživanje električnih svojstava fosfatnih stakala i staklo-keramika impedancijskom spektroskopijom i njihovom korelacijom sa strukturnim značajkama ovih materijala, kako bismo otkrili na koji način ona provode električnu struju te kako poboljšati njihovu električnu vodljivost. U našim dosadašnjim istraživanjima pokazali smo da je u sustavima ionski vodljivih stakla koja sadrže konstantan udio oksida alkalijskog metala, jednostavnom izmjenom dvaju staklotvoraca moguće značajno povećati mobilnost iona alkalijskog metala, što upućuje na veliki utjecaj strukturnih značajki stakala na mobilnost nositelja naboja te je ovaj fenomen poznat kao učinak miješanih staklotvoraca (engl. Mixed Glass Former Effect, MGFE). Posebnu pažnju su privukli sustavi stakala-(keramika) koji sadrže i okside alkalijskih metala kao što su Li₂O ili Na₂O, koji doprinose ionskom vodljivošću, te okside prijelaznih metala (engl. transition metal oxide, TMO) kao što su Fe₂O₃, MoO₃, WO₃, V₂O₅, Nb₂O₅, koji mogu imati višestruki utjecaj i modificirati strukturu te tako povećati mobilnost kationa alkalijskog metala, a također mogu doprinijeti ukupnoj električnoj vodljivosti i dodatnom elektronskom komponentom.

Osim električnih svojstava, novi smjer koji je vidljiv u okviru doktorata je ispitivanje stakala i staklo-keramika kao katalizatora. Iznenađuje da nije dostupan velik broj istraživanja na ovu temu, jer u literaturi možemo pronaći niz primjera sustava miješanih oksida prijelaznih metala koji pokazuju dobra katalitička svojstva u reakcijama oksidacije, dok na analognim sustavima stakala istraživanja nisu dostupna. Štoviše, stakla i staklo-keramike su dosad korišteni samo kao nosači u heterogenoj katalizi, no oni sami po sebi u tom slučaju nisu katalitički aktivni. Stoga se postavlja pitanje mogu li stakla i staklo-keramike direktno sudjelovati u katalizi kao katalitički aktivne tvari? I zaista, u znanstvenom radu „Peculiar catalytic properties of oxide glass-(ceramics) in epoxidation reactions“ predstavili smo novi koncept uporabe stakala i staklo-keramika kao katalizatora u reakcijama epoksidacije i pokazali da stakla-(keramike) s visokim udjelom V₂O₅ pokazuju najbolju katalitičku aktivnost i selektivnost prema željenom epoksidu, a moguće ih je reciklirati i ponovo koristiti u drugom katalitičkom krugu pri čemu zadržavaju visoku katalitičku učinkovitost. Zanimljivo je istaknuti da je ovo istraživanje pokazalo visoku korelaciju između električnih i katalitičkih svojstva odabranih stakala-(keramika), te su najbolji katalizatori ujedno pokazali i najvišu električnu vodljivost, koje su povezane s visokim udjelom V₂O₅. Reakcija epoksidacije ciklooktena odabrana je kao modelni sustav za ispitivanje katalitičkih svojstava fosfatnih stakala-(keramika) u reakcijama epoksidacije jer su produkti ovih reakcija od industrijske važnosti. Primjerice, epoksidi su intermedijari za dobivanje epoksidnih smola koje nalaze svoju primjenu u građevinskoj industriji kao adhezivi, ljepila i prevlake kao što su npr. izolacijski podovi u laboratorijima otporni na korozivne kemikalije. Prednost uporabe stakala i staklo-keramika u ulozi katalizatora u ovim reakcijama krije se u njihovoj jednostavnoj pripravi metodom naglog hlađenja taline, procesom koji osigurava reproducibilnost i pojednostavljuje pripravu ovih materijala na većim skalama, što je od posebne važnosti za primjenu u katalizi na industrijskoj skali. Osim toga, ova metoda pruža mogućnost ugađanja svojstava ovih materijala jednostavnim promjenama u sastavu, što dodatno doprinosi njihovoj potencijalu za primjenu u ovom području.”

Kojim granama gospodarstva ova otkrića mogu najviše biti od koristi?

“Spoznaje do kojih smo došli u našim istraživanjima ukazuju na to da fosfatna stakla imaju veliki potencijal u industriji baterija i elektrokemijskih uređaja te kao katalizatori u kemijskoj industriji. U kontekstu uređaja za skladištenje energije, fosfatna stakla mogu biti od velike koristi u proizvodnji baterija zbog njihove visoke ionske i elektronske vodljivosti. Dodavanjem različitih oksida alkalijskih metala, poput litijevog ili natrijevog oksida, ova stakla postaju visoko ionski vodljiva, što je ključno za razvoj učinkovitih elektrolita. S druge strane, dodavanjem oksida prijelaznih metala mogu se postići stakla s visokom elektronskom vodljivošću, što ih čini pogodnima za primjenu kao elektrodni materijali. Ovo prilagođavanje sastava stakla omogućava razvoj naprednih baterijskih tehnologija koje mogu ponuditi bolje performanse i dugovječnost, što je ključno za napredak u skladištenju energije. S druge strane, naša su istraživanja pokazala da fosfatna stakla također pokazuju obećavajuća katalitička svojstva u reakcijama epoksidacije, što ih čini obećavajućim materijalima za uporabu u kemijskoj industriji. U svom smo radu pokazali da fosfatna stakla koja sadrže visoki udio vanadijevog pentoksida imaju visoku katalitičku aktivnost i selektivnost u reakcijama epoksidacije. Ova svojstva su posebno korisna za proizvodnju epoksida, koji su važni u kemijskoj industriji za dobivanje epoksidnih smola. Epoksidne smole se koriste kao adhezivi, ljepila i zaštitne prevlake u građevinskoj industriji. Fosfatna stakla kao katalizatori nude prednost jednostavne i ekonomične sinteze, mogućnost recikliranja te prilagodbu svojstava promjenom sastava, što je ključno za njihovu industrijsku primjenu.”

Koliko je skupa proizvodnja ovog stakla odnosno ima li komercijalne isplativost za tvrtke?

“Za početak treba istaknuti da mi u laboratoriju po prvi put sintetiziramo ova stakla i staklo-keramike te da pritom radimo s prilično malim količinama materijala u svrhu znanstvenih istraživanja. Na primjer, sintezu fosfatnih stakala provodimo s količinama od otprilike 3 grama, dok katalitičko testiranje izvodimo u volumenima do približno 100 mL. Ove količine su znatno manje u usporedbi s industrijom, gdje se obično radi o kilogramskim ili tonskim skalama. Komercijalna isplativost proizvodnje fosfatnih stakala varira ovisno o specifičnim karakteristikama svakog materijala i njegovoj primjeni. S obzirom na naše istraživačke aktivnosti, daljnja istraživanja su neophodna za detaljnu evaluaciju primjene fosfatnih stakala u različitim industrijskim kontekstima. Na primjer, za primjenu u baterijama, potrebno je složiti baterijski sustav koristeći naša fosfatna stakla/staklo-keramike te ispitati performanse takvog sustava. U kontekstu katalize, daljnja istraživanja trebala bi uključiti eksperimente na većim skalama kako bi se detaljnije ispitali katalitički parametri i komercijalna primjenjivost.

Glavni faktori koji bi utjecali na troškove uključuju sirovine za proizvodnju, energetske zahtjeve i složenost procesa. Fosfatna stakla imaju prednosti u smislu nižih temperatura priprave u usporedbi s tradicionalnim silikatnim staklima, što može smanjiti energetske troškove proizvodnje. Također, njihova jednostavna priprava metodom naglog hlađenja taline osigurava reproducibilnost i pojednostavljuje pripravu ovih materijala na većim skalama, što je ključno za primjenu u katalizi na industrijskoj razini. Ova metoda također omogućuje prilagodbu svojstava materijala jednostavnim promjenama u sastavu, što dodatno povećava njihov potencijal. Svakako treba istaknuti da je jedan od razloga zašto smo odabrali proučavati stakla i staklo-keramike koji sadrže natrij činjenica da su posljednjih godina sve više istraživane natrijeve ionske baterije. Cilj je zamijeniti uobičajeno korištene litij-ionske baterije natrijevim, budući da je natrij jeftiniji, rasprostranjeniji i dostupniji u odnosu na litij. Na primjer, polazni materijal natrijev karbonat košta otprilike 100 eura po kilogramu. S druge strane, litij-karbonat za primjenu u baterijama ima značajno višu cijenu od približno 1.000 eura po kilogramu.”

IRB

Bijenička cesta 54, 10000, Zagreb, Hrvatska

Podaci preuzeti sa

Poslovni prihodi (EUR):
55.431.600,00 (2023)

Broj zaposlenih:
957 (2023)

Više poslovnih informacija