Najvýznamnejšie výsledky

 ////////////////////////////////////////////////////////

Vzťah medzi štruktúrou a fyzikálno-chemickými vlastnosťami taveninového elektrolytu na báze Na3AlF6−SiO2 pre elektrolytickú výrobu Solar Grade kremíka (SoG−Si) 

Elektrolýza z roztavenej soli je nový spôsob výroby kremíka pre solárne fotovoltaické aplikácie (SoG-Si), ktorý umožňuje zníženie ekonomických nákladov, spotreby energie a  jeho prípadnú recykláciu. Pochopenie vzťahov medzi štruktúrou roztaveného elektrolytu a jeho fyzikálno-chemickými vlastnosti je nevyhnutné pre optimalizáciu parametrov elektrolýzy, no potrebné informácie sú v tejto oblasti stále veľmi obmedzené. Predchádzajúci skríning roztavených elektrolytov poukázal na to, že s ohľadom na kvalitu kremíkového depozitu a efektívnosť procesu sú taveniny na báze Na3AlF6 veľmi sľubným médiom pre jeho elektrolytickú výrobu.

Výsledkom štúdie bola kompletná štruktúrna vysokoteplotná NMR charakterizácia roztaveného systému na báze Na3AlF6−SiO2, charakterizácia jeho elektrolaktívnych iónových častíc ako aj určenie štruktúry jeho ďalších štruktúrnych častíc. Veľmi dôležitým zistením bolo určenie vplyvu prítomnosti polymerizovaných častíc na zvýšenie viskozity a elektrickej vodivosť elektrolytu.

Obr. 1. Vysokoteploté NMR spektrá izotopu 27Al roztaveného elektrolytu (pri 1025oC) s rôznym prídavkom SiO2 a schématické znázornenie meracieho zariadenia.

Publikácia:

  • ŠIMKO František*, RAKHMATULLIN Aydar, KORENKO Michal, BESSADA Catherine. Structural Correlations and Chemistry of the Na3AlF6−SiO2 Melt as an Electrolyte for the Solar Grade Silicon (SOG−Si) Electrowinning. In Journal of Molecular Liquids, 2021, Vol. 328, p. 115453; Doi: 10.1016/j.molliq.2021.115453 (IF: 6.165; Q1)

 

 

 ////////////////////////////////////////////////////////

Optimalizácia prípravy nanomateriálov na báze vrstevnatých hlinitokremičitanov a organických farbív  

Dôležitou skupinou materiálov na báze vrstevnatých kremičitanov sú hybridné anorganicko-organické materiály, v ktorých funkčnou zložkou sú rôzne organické farbivá. Medzi zložkami prebiehajú rôzne interakcie a javy, čo si vyžiadalo rozsiahly výskum a hĺbkovú analýzu experimentálnych dát. Podarilo sa odhaliť mechanizmy interakcií organických farbív s vrstevnatými kremičitanmi, čo pomohlo ozrejmiť výskyt niektorých javov, ako sú napr. tvorba molekulových agregátov a pokles fotoaktivity [1]. Vypracovali sa rôzne stratégie pre prípravu hybridných tuhých látok, aby sa v čo najväčšej miere zachovala fotoaktivita farbív. Jedným z dôležitých krokov je modifikácia povrchu nanočastíc silikátu pomocou organických surfaktantov [2-3]. Okrem vplyvu na aktivitu farbív, je tento typ modifikácie nevyhnutný pri príprave nanokompozitov, aby sa dosiahla kompatibilita nanočastíc s polymérmi [4]. Optimalizáciou parametrov syntéz sa podarilo pripraviť kompozity polymérov s významnými antimikrobiálnymi vlastnosťami, v ktorých ako významná antimikrobiálna zložka vystupoval fotosenzibilizátor floxín B (Obr).

Schematické znázornenie prípravy povrchov polymérov modifikovaných s nanočasticami organosaponit-farbivo.

Publikácia:

  1. ŠIMONOVÁ, T.** – MÉSZÁROS, R. – SEBECHLEBSKÁ, T. – BUJDÁK, J.** Non-Arrhenius kinetics and slowed-diffusion mechanism of molecular aggregation of a rhodamine dye on colloidal particles. In Physical Chemistry Chemical Physics, 2021, vol. 23, no. 32, p. 17177-17185. (2020: 3.676 – IF, Q1 – JCR, 1.053 – SJR, Q1 – SJR). ISSN 1463-9076.
  2. BOHÁČ, P.** – SASAI, R. – SOONTORNCHAIYAKUL, W. – CZÍMEROVÁ, A. – BUJDÁK, J. Resonance energy transfer between cyanine dyes in hybrid films of layered silicate prepared by layer-by-layer method. In Applied Clay Science, 2021, vol. 202, p. 105985-1-105985-9. (2020: 5.467 – IF, Q1)
  3. BARLOG, M.** – PÁLKOVÁ, H.BUJDÁK, J. Luminescence of a laser dye in organically-modified layered silicate pigments. In Dyes and Pigments, 2021, vol. 191, p. 109380-1-109380-11. (2020: 4.889 – IF, Q1).
  4. DADI, N. C. T. – BUJDÁK, J.** – MEDVECKÁ, V. – PÁLKOVÁ, H.BARLOG, M. – BUJDÁKOVÁ, H.**. Surface characterization and anti-biofilm effectiveness of hybrid films of polyurethane functionalized with saponite and phloxine B. In Materials, 2021, vol. 14, p. 7583-1-7583-21. (3.623 – IF, Q1).

 

////////////////////////////////////////////////////////

Hlbšie porozumenie NMR spektrám paramagnetických komplexov prechodných kovov 

Nukleárna magnetická rezonancia (NMR) je výnimočná technika, ktorá má široké uplatnenie vo vede, medicíne a priemysle. NMR spektroskopia sa napríklad používa na charakterizáciu nových protirakovinových liekov alebo na štúdium spracovania jadrového odpadu. NMR spektrá obsahujú množstvo užitočnej informácie o elektrónovej štruktúre paramagnetických látok. Na rozdiel od NMR spektroskopie diamagnetických látok, je NMR paramagnetických molekúl relatívne nepreskúmaná a náročná vedecká oblasť. Táto práca obsahuje podrobnú experimentálnu a teoretickú štúdiu dvoch paramagnetických  zlúčenín v tuhom stave [Cr(III) a Cu(II)] s výrazne odlišnou elektrónovou štruktúrou. Vôbec prvýkrát boli pozorované a analyzované extrémne odtienené 13C NMR posuny, 900-1200 ppm. Merané signály sú vysvetlené na základe elektrónovej a spinovej štruktúry a dvoch spinových delokalizačných mechanizmov, konjugácie v π-priestore a hyperkonjugácie v σ-priestore. Tento príspevok poskytuje návod pre budúce skúmanie NMR signálov komplexných paramagnetických systémov.

Publikácia:

  • NOVOTNÝ, Jan* – JEREMIAS, Lukáš* – NIMAX, Patrick – KOMOROVSKÝ, Stanislav – HEINMAA, Ivo – MAREK, Radek**. Crystal and substituent effects on paramagnetic NMR shifts in transition-metal complexes. In Inorganic Chemistry, 2021, vol. 60, no. 13, p. 9368-9377. (2020: 5.165 – IF, Q1 – JCR).

 

////////////////////////////////////////////////////////

Štúdium vplyvu modifikácie smektitov na stabilitu ich interkalátov s herbicídom atrazínom ab initio DFT metódou

V práci bola teoreticky študovaná stabilita štruktúr s interkalovaným herbicídom atrazínom v ílových mineráloch na báze smektitov, v beidellite (Bd) a montmorillonite (Mt) ab initio DFT metódou. V štúdii boli použité modely interkalovaného atrazínu v čistých smektitoch ako aj v modifikovaných organickým surfaktantom, tetrametylfosfóniovým katiónom. Analyzované vodíkové väzby a interkalačná energia (Eint) reprezentujúca mieru stability jednotlivých organoílov ukázali, že jednoznačne stabilnejšie sú štruktúry na báze Bd, ktorý sa vyznačuje substitúciami v tetraédrických sieťach (Al3+/Si4+) a modifikácia smektitu organickým katiónom (TMP) výrazne prispieva k zvýšeniu stability štruktúry herbicíd-smektit pre obidva smektity. (Eint – Bd: -67.6; -221.1; kJ/mol a Mt: -48.1; -189.0 kJ-mol).

Vodíkové väzby v A-Bd modeli ako príklad: zelená (C ̶ H···Ob), cyklaménová (C ̶ H···Ow), žltá (Ow ̶ H···Ob), modrá (Ow ̶ H···Ow), tyrkysová (N ̶ H···Ow), červená (N ̶ H···Ob); b-pohľad.

Publikácia:

  • MORENO RODRÍGUEZ, Daniel**JANKOVIČ, ĽubošSCHOLTZOVÁ, Eva – TUNEGA, Daniel. Stability of atrazine-smectite intercalates: Density functional theory and experimental study. In MINERALS-BASEL, 2021, vol. 11, no. 6, p. 554-1-554-20. (2020: 2.644 – IF, Q2 – JCR) Typ: ADCA

 

////////////////////////////////////////////////////////

Translucentná Y2O3 keramika pripravená vyrobená z komerčného nanoprášku tvarovaného za sucha 

Výroba vysoko kompaktných surových/nespečených telies je kľúčovou stratégiou na dosiahnutie vysokej hustoty a transparentnosti polykryštalickej keramiky vyrobenej práškovou metalurgiou. Tento prístup však komplikuje proces tvarovania. Hoci vysoká spekateľnosť nanokeramických práškov otvorila sľubnú cestu k dosiahnutiu vysokohutných homogénnych telies, takýto potenciál nebol nikdy využitý na zjednodušenie výroby transparentnej keramiky. Práca skúma, či použitie nano-Y2O3 prášku umožní výrobu transparentnej Y2O3 keramiky z nespečených vzoriek s nízkou počiatočnou hustotou. Komerčný nano Y2O3 prášok s veľkosťou častíc približne 30 nm bol tvarovaný jednoosovým lisovaním, zhutnený predspekaním pri teplote 1500 °C s následným žiarovým izostatickým lisovaním. Vďaka vynikajúcej spekateľnosti nanoprášku Y2O3 prášku bolo možné aj napriek nízkej počiatočnej hustote získať vysokohutné priesvitné Y2O3 vzorky.

Obr. Relatívna hustota vzoriek vyrobených žiarovým izostatickým lisovaním pred a po HIP-e a optické fotografie HIP-ovaných vzoriek (hrúbka 1 mm) umiestnených priamo na pozadí.

Publikácia:

  • Najafzadehkhoee, Aliasghar – Talimian, Ali – Sedláček, Jaroslav – Lisnichuk, M –  Hvizdoš Pavol – Galusek Dušan Translucent yttrium oxide ceramics from low-density green bodies shaped by uniaxial pressing, Journal of the European Ceramic Society, 2022, corrected proofs

 

////////////////////////////////////////////////////////

Skúmanie korodovaného povrchu historických skiel mikro-Ramanovou spektroskopiou

Korodovaný povrch historických skiel sa skúmal mikro-Ramanovou spektroskopiou. Súbory spektier získané laterálnym a stratifikovaným mapovaním sa analyzovali metódou PCA (Principal Components Analysis), ktorá poskytla počet lineárne nezávislých spektier v skúmanom súbore. Následne sa metódou MCR (Multivariate Component Analysis) získali Ramanove spektrá nekorodovaného skla a jednotlivých koróznych produktov (tzv. loadings) a ich relatívne zastúpenie .(tzv. scores) v jednotlivých meraných bodoch. Správnosť získaných výsledkov sa potvrdila porovnaním výsledkov získaných laterálnym a stratifikovaným mapovaním. Na základe dominantných scores sa zobrazila laterálna distribúcia jednotlivých koróznych produktov.

Distribúcia koróznych produktov na povrchu vzoriek HG3OX, HG6OX, a HG8OX (1 – natívne sklo, 2, 3 – korózne produkty.

Publikácia:

  • HRUŠKA B – NOWICKA A – CHROMČÍKOVÁ M – GREINER-WRONA E – SMOLíK J – SOLTÉZS V – LIŠKA M Raman spectroscopic study of corroded historical glass. In International Journal of Applied Glass Science, 2021, vol. 12, no. 4, p. 613-620. (IF 2.029, Q2)

 

////////////////////////////////////////////////////////

Príprava a fotokatalytická aktivita TiO2 nanorúrok syntetizovaných na transparentnom spinelovom substráte

Za posledné dve dekády sa čoraz väčšia pozornosť kladie na čistenie odpadových vôd pomocou fotokatalyzátora TiO2. Z toho dôvodu bol výskum zameraný na prípravu TiO2 nanorúrok (TNTs) na transparentnom keramickom materiáli (spinel – MgAl2O4) pomocou anodickej oxidácie Ti vrstvy nanesenej magnetrónovou depozíciou. Vlastnosti TNTs boli porovnané s nanorúrkami pripravenými na troch iných substrátoch: monokryštalický Si substrát, polymérna fólia Kapton a kovová Ti fólia. Pomocou fotokatalytickej degradácie dvoch modelových polutantov rodamínu B (RhB) a bispfenolu A (BPA) sme dokázali, že v závislosti na použitom substráte účinnosť fotokatalytickej degradácie TNTs rastie od Kapton < spinel < Si < Ti. Nanorúrky vypestované na Ti fólii majú najlepšiu fotokatalytickú aktivitu dosahujúcu 88% degradácie RhB a 36% degradácie BPA. Kinetický model pre degradáciu RhB najlepšie popisuje reakcia pseudo-prvého stupňa, zatiaľ čo degradáciu BPA lepšie popisuje reakcia fraktálneho pseudo-prvého stupňa. Výsledky výpočtu zvyškového napätia a deformácie na rozhraní substrát-TNTs ukázali, že materiál spinel-TNTs vykazuje najnižšie hodnoty napätia a deformácie, majú stabilnú štruktúru a dochádza iba k minimálnemu odlupovaniu TNTs.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Obr. TiO2 nanorúrky pripravené na spinelovom substráte. Dekompozícia RhB na TiO2 nanorúrkach.

Publikácie:

  • PETRISKOVÁ, Patrícia – MONFORT, Olivier – SATRAPINSKY, Leonid – DOBROČKA, Edmund – PLECENIK, Tomáš – PLESCH, Gustav – PAPŠIK, Roman – BERMEJO, Raúl – LENČÉŠ, Zoltán: Preparation and photocatalytic properties of TiO2 nanotube arrays prepared on transparent spinel. Ceramics International, 47 (2021) 12970-12980. (4,527 – IF2020).

 

////////////////////////////////////////////////////////

Pokrok pri príprave transparentného horečnato-hlinitého spinelu – spekanie pri nízkych teplotách 

Cieľom tejto práce bolo odhaliť úlohu opticky neaktívnych defektov pri príprave transparentného horečnato-hlinitého spinelu a tieto poznatky následne zužitkovať pri vyvíjaní nových metód prípravy alebo zavedení nových spekacích prísad čo by umožnilo spekanie pri nižších teplotách. Vykonané štúdie ukázali, že:

  1. spekanie MgAl2O4 pomocou SPS pri nízkych teplotách znižuje kontamináciu vzoriek uhlíkom a umožňuje výrobu transparentného polykryštalického spinelu pri teplote nižšej ako 1300 °C,
  2. štrukturálne defekty, ako je inverzia pri spinely, znižujú aktivačnú energiu spekania z cca. 800 kJ mol-1 na 530 kJ mol-1,
  3. prídavok LiOH ako spekacej prísady podporuje spekanie MgAl2O4, čo sa vysvetľuje koncentráciou kyslíkových vakancií a štrukturálnou inverziou,
  4. LiOH je alternatívou ku konvenčným spekacím prísadám používaným na výrobu transparentného spinelu a
  5. prídavok fluoridov prechodných kovov môže pomôcť zhutneniu a zároveň zaviesť opticky aktívny prvok do štruktúry MgAl2O4.

Krivky zhutnenia nedopovaných a Li+ dopovaných MgAl2O4 vzoriek v závislosti od teploty spekania v SPS pri rýchlosti ohrevu 100 °C min-1.

Publikácia:

  • TALIMIAN, Ali** – EL-MAGHRABY, Hesham F. M. Aldelrehim – MICHÁLKOVÁ, Monika – GALUSEK, Dušan. Sintering and grain growth behaviour of magnesium aluminate spinel: Effect of lithium hydroxide addition. In Journal of the European Ceramic Society, 2021, vol. 41, no. 11, p. 5634-5643. (2020: 5.302 – IF, Q1 – JCR, 1.204 – SJR, Q1 – SJR, CCC).

////////////////////////////////////////////////////////

Štúdium vplyvu elektrického poľa na in-situ tvorbu grafénových platničiek pri reakčnom spekaní materiálov na báze B4C-TiB2 

Cieľom tejto práce bola príprava kompozitov B4C s prídavkom 10 obj.% TiB2 pomocou reakčného spekania v elektrickom poli, kde sú finálne materiály tvorené in-situ reakciou medzi B4C, TiO2 a uhlíkovými sadzami. Bol jednoznačne preukázaný kombinovaný vplyv elektrického poľa a in-situ reakcií za vzniku veľkého množstva CO plynu na tvorbu elektrického oblúka. V dôsledku toho dochádzalo k výraznému lokálnemu prehriatiu na rozhraní TiB2/B4C, čo viedlo k čiastočnej dekompozícií zŕn B4C za vzniku grafénových platničiek. Ak jeden z týchto dvoch faktorov nebol zapojený do procesu prípravy, napríklad pri žiarovom lisovaní bez elektrického poľa, resp. pri konvenčnom (bezreakčnom) spekaní práškov B4C a TiB2 v elektrickom poli, nedochádzalo k tvorbe grafénových platničiek. Práca tiež navrhla inovatívny spôsob prevencie tejto dekompozície zŕn B4C, využitím tzv. izolovaného reakčného spekania v elektrickom poli.

Obr. REM snímok lomového povrchu kompozitu B4C – 10 vol.% TiB2 spekaného pri 1800°C pomocou: a) reakčného spekania v elektrickom poli, and b) izolovaného reakčného spekania v elektrickom poli.

Publikácia:

  • ÜNSAL, Hakan – GRASSO, Salvatore – KOVALČÍKOVÁ, Alexandra – HANZEL, OndrejTATARKOVÁ, Monika – DLOUHÝ, Ivo – TATARKO, Peter**. In-situ graphene platelets formation and its suppression during reactive spark plasma sintering of boron carbide/titanium diboride composites. In Journal of the European Ceramic Society, 2021, vol. 41, no. 13, p. 6281-6289. (2020: 5.302 – IF, Q1 – JCR).