Temat projektu: Związki międzymetaliczne wytwarzane metodami szybkiego i kierunkowego krzepnięcia przeznaczone do zastosowań katalitycznych

Konkurs: OPUS 13

Projekt badawczy nr 2017/25/B/ST8/02804

Kierownik projektu: Prof. dr hab. Lidia Lityńska-Dobrzyńska

Głównym celem projektu jest zweryfikowanie możliwości wykorzystania metod konwencjonalnej metalurgii połączonej z techniką szybkiej krystalizacji do wytwarzania aktywnych katalitycznie materiałów w oparciu o fazy międzymetaliczne, które mogą stanowić alternatywę dla używanych obecnie katalizatorów zawierających nanocząstki metali szlachetnych. Zakłada się, że wytworzenie faz międzymetalicznych za pomocą stosunkowo łatwej i taniej techniki, w połączeniu z odpowiednią obróbką cieplną i powierzchniową pozwoli na uzyskanie dobrej jakości homogenicznego materiału wykazującego pożądane właściwości katalityczne. Doboru faz międzymetalicznych dokona się na podstawie analizy diagramów fazowych i kryterium krystalograficznego stanowiącego, że symetria danej fazy musi odpowiadać wymogom istnienia centrów aktywnych, którymi są atomy metalu przejściowego w uporządkowanej strukturze.

Planuje się przebadanie dwóch grup materiałów: z układu Ni-X (X = In, Zn, Sn, Al) o wysokim stopniu uporządkowania oraz Al-X (X = Fe, Co, V, Cu) będących aproksymantami faz kwazikrystalicznych (związki te zbudowane są z klasterów charakterystycznych dla kwazikryształów). Do otrzymywania faz międzymetalicznych zastosowana zostanie technika odlewania na wirujący walec umożliwiająca uzyskanie materiału w postaci taśm o grubości 20-80 μm o rozdrobnionej mikrostrukturze rzędu 1-2 μm oraz znaczącym rozwinięciu powierzchni czynnej w porównaniu do materiałów odlewanych metodami konwencjonalnymi. Planowane jest również wytworzenie materiału w postaci monokryształu (metoda Bridgmana), który jako układ modelowy jest niezbędny dla pogłębienia analizy wzajemnych relacji pomiędzy właściwościami powierzchni, geometrią i orientacją kryształu a preferowanymi własnościami katalitycznymi.

Dla uzyskanych materiałów planuje się wykonanie pełnej charakterystyki mikrostruktury na każdym etapie ich przygotowania. W szczególności określi się wpływ parametrów zastosowanych podczas szybkiej krystalizacji oraz krystalizacji kierunkowej (monokryształy) na strukturę i morfologię tworzących się faz i na tej podstawie dokona się wyboru optymalnych warunków obu procesów. W próbkach poddawanych obróbce cieplnej szczególną uwagę zwróci się na stopień uporządkowania struktury, który to parametr spełnia kluczową rolę w procesach chemicznych zachodzących podczas katalizy. W tym celu zostaną zastosowane metody: dyfrakcja rentgenowska oraz zaawansowane techniki skaningowej i transmisyjnej mikroskopii elektronowej. Wybrane próbki będą następnie badane pod kątem ich właściwości katalitycznych.

Z uwagi na charakter projektu zakładający kompleksowe podejście do problematyki otrzymywania aktywnych materiałów katalitycznych na bazie faz międzymetalicznych, w tym optymalizację procesu ich wytwarzania oraz obróbkę powierzchniową (trawienie) i cieplną, można spodziewać się, że projekt wniesie wiele nowych i cennych informacji o charakterze podstawowym dotyczącym struktury i fizykochemii faz międzymetalicznych. Warto podkreślić, że zastosowanie faz międzymetalicznych w katalizie heterogenicznej jest stosunkowo nową, dynamicznie rozwijającym się dziedziną nauki, mającą olbrzymie znaczenie dla opracowania wydajnych i konkurencyjnych katalizatorów w przyszłości.

Temat projektu: Opracowanie technologii wytwarzania materiałów funkcjonalnych do zastosowań w bezkrzemowych ogniwach fotowoltaicznych.

Projekt finansowany przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju w ramach Strategicznego programu badań naukowych i prac rozwojowych „Nowoczesne technologie materiałowe"- TECHMATSTRATEG II.
Umowa nr TECHMATSTRATEG 2/409122/3/NCBR/2019.

Kierownik projektu: Dr hab. Piotr Panek

Projekt realizowany przez konsorcjum: Centrum Badań i Rozwoju Technologii dla Przemysłu S.A. z siedzibą w Warszawie, ul. Ludwika Waryńskiego 3A, 00-645 Warszawa (CBRTP) - lider, Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN w Krakowie, ul. Reymonta 25, 30-059 Kraków (IMIM), Hanplast sp. z o.o., ul. Wojska Polskiego 65, 85-825 Bydgoszcz (Hanplast).
Celem projektu jest otrzymanie struktur fotowoltaicznych na bazie tlenków i siarczków metali w tym tlenków miedzi, tlenku cynku i siarczku cynku. Do wytwarzania powyższych warstw są stosowane metody chemiczne, utleniania wysokotemperaturowego jak i technika osadzania warstw atomowych (ALD) oraz osadzania z fazy gazowej (PVD). W ramach projektu zakupiono do IMIM stanowisko Sondy Kelvina umożliwiające określenie pracy wyjścia elektronów dla badanych materiałów. Opracowano technologię realizowaną w wysokich temperaturach w zakresie 500 - 900 oC pozwalającą na wytwarzanie warstw tlenków miedzi adhezyjnych z podłożem metalicznym.

Temat projektu: Wpływ stężenia litu w stopach Pb-Li na zwilżalność oraz efektywność ekstrakcji metali cienkich warstw katalitycznych w porowatych kapilarach ceramicznych. Badania, modelowanie.

Konkurs: OPUS 14

Kierownik projektu: Prof. dr hab. inż. Władysław Gąsior

Głównym celem projektu są badania zmierzające do intensyfikacji procesu ekstrakcji platyny i palladu z powierzchni kapilar będących elementami katalizatorów. W badaniach planowane jest wykorzystania do tego celu zamiast czystego ołowiu, stopu Lit-Ołów. Badania będą nakierowane na określenie właściwości termodynamicznych stopów dwuskładnikowych platyny i palladu z litem oraz trójskładnikowych (Pb-Pt-Li, Pd-Pb-Li), opracowanie termodynamiki dwu- i trójskładnikowych roztworów ciekłych, modelowanie napięcia powierzchniowego, pomiary zwilżalności metodą rozpływu oraz rzeczywista badania z zastosowaniem pompy magnetohydrodynamicznej. Uzyskane dane zostaną wprowadzone do ogólnodostępnych darmowych baz danych ENTALL i SURDAT dostępnych na stronie Instytutu.

Temat projektu: Właściwości termodynamiczne stopów z układów Mg-Pd oraz Mg-Pt

Konkurs: OPUS 16, panel: ST8     Nr rejestracyjny: 2018/31/B/ST8/01371

Kierownik projektu: dr hab. inż. Adam Dębski

Pomimo wielu dekad prac naukowców i coraz lepszego instrumentarium badawczego, niektóre z podwójnych układów równowagi fazowej pozostają ciągle nieznane lub są tylko teoretycznie przewidziane czy obliczone. Przeszkody ku wytworzeniu i zbadaniu stopów są różne. Często problem stanowią znaczne różnice w temperaturze topnienia składników, ich reaktywność względem elementów konstrukcyjnych aparatury badawczej, znaczne różnice w gęstości (i idąca za tym tendencja do segregacji grawitacyjnej) czy wysoka prężność par powodująca intensywne parowanie, a czasem nawet sublimację składników.

Jednakże to, że stopy czy fazy międzymetaliczne trudno jest wytworzyć czy zbadać, nie oznacza, że one nie istnieją lub też, że ich właściwości nie mogą być ciekawe z punktu widzenia wielu dziedzin techniki. Dlatego dogłębne zbadanie układów równowagi fazowej (począwszy od podwójnych) jest niezwykle ważne z punktu widzenia rozwoju samej nauki.

Stopy z układów Mg-Pt i Mg-Pd, są trudne do wytworzenia z wyżej wspomnianych powodów. Jednakże właśnie ze względu na znaczne różnice, choćby we właściwościach fizycznych magnezu i platynowców, mogą posiadać bardzo ciekawe właściwości lub kombinacje właściwości. Jednym z „wspólnych mianowników" łączących te pierwiastki - jest ich zdolność interakcji z wodorem - uważanym za paliwo przyszłości. Pallad ma zdolność pochłaniania wodoru w relatywnie niskiej temperaturze tworząc roztwór stały, a stopy palladu (np. ze srebrem) używane są jako membrany separacyjne, do oczyszczania tego gazu. Z kolei platyna, choć wodoru nie pochłania jest doskonałym katalizatorem - używanym na powierzchni membran PEM w ogniwach paliwowych do separacji cząsteczek wodoru na jony H+. Magnez w podwyższonej temperaturze (rzędu 300 - 400 °C) tworzy najpierw roztwór stały, a potem wodorek magnezu, który „gromadzi" w sobie odwracalnie do 7,6 % wodoru masowo. Odwracalnie, znaczy tyle, że wodór z wodorku można zdesorbować przy odpowiedniej temperaturze dla danego ciśnienia. Pojedyncze stopy lub mieszaniny tych pierwiastków były już badane i wykazują powinowactwo do wodoru. Z tego powodu zasadne jest podjęcie systematycznych badań, które pozwolą na określenie zdolności do interakcji z wodorem większej liczby faz przejściowych i roztworów, które w tych układach mogą występować.
Głównym celem projektu jest wyznaczenie właściwości termodynamicznych i fizykochemicznych stopów z układów dwuskładnikowych Mg-Pd oraz Mg-Pt a następnie poddanie wytworzonych stopów badaniom pokazującym w jaki sposób są one w stanie reagować z wodorem i jakimi właściwościami charakteryzują się tak wytworzone materiały. Aby zrealizować postawione cele proponowane są następujące działania:

1. Wytworzenie stopów z układów Mg-Pd i Mg-Pt przy pomocy zarówno topienia jak i mechanicznej syntezy w młynku kulowym (w zależności od możliwości).
2. Badania właściwości termodynamicznych wytworzonych stopów.
3. Modelowanie właściwości fizykochemicznych takich jak lepkość i napięcie powierzchniowe stopów z układów Mg-Pd oraz Mg-Pt na podstawie otrzymanych danych termodynamicznych.
4. Badania przemian fazowych zachodzących w wytworzonych stopach podczas ich grzania i chłodzenia.
5. Wyznaczenie entalpii tworzenia faz międzymetalicznych w układach Mg-Pd oraz Mg-Pt wykorzystując obliczenia ab-initio.
6. Obliczenie wykresów fazowych proponowanych układów dwuskładnikowych metodą CALPHAD i programów ThermoCalc lub/i Pandat.
7. Badanie zdolności do reakcji z wodorem wybranych stopów z układów Mg-Pd oraz Mg-Pt.
8. Badanie właściwości produktów reakcji wybranych stopów z wodorem.

Uzyskane eksperymentalne wartości entalpii tworzenia faz międzymetalicznych oraz wartości entalpii mieszania ciekłych stopów z układów Mg-Pd oraz Mg-Pt zostaną wprowadzone do darmowej bazy danych Entall, dostępnej na stronie internetowej Instytutu Metalurgii i Inżynierii Materiałowej PAN: www.imim.pl.