Skip to main content

Departments

Z2-8161

Študija novega okolju prijaznega postopka recikliranja plemenitih kovin na podlagi induciranja elektrokemičih potencialov s pomočjo reaktivnih plinov in kapljevin

Vodja projekta: dr. Nejc Hodnik (Sicris: http://www.sicris.si/search/rsr.aspx?lang=slv&id=33135)

 

Vsebinski opis projekta

Plemenite kovine (PK) so bistvenega pomena za proizvodnjo najbolj naprednih tehnologij kot so na primer električna in elektronska oprema. Zaradi svojih izjemnih lastnosti kot so visoka talilna točka, odpornost proti koroziji in dobra električna prevodnost ter biokompatibilnosti se uporabljajo v različnih panogah: tehnologija naprednih prevlek, nakit, v steklarski industriji, katalizatorska gaz za oksidacijo amoniaka, v proizvodnji dušikove kisline, kot lončki za laboratorijske naprave, kot konstrukcije za rast kristalov, kot medicinska oprema, kot elektrokataliticni pretvorniki energije (gorivne celice in elektrolizertji), kot senzorji ter elektrode in katalizatorji za avtomobilsko industrijo. Seznam plemenitih kovin, ki jih vodja projekta načrtuje preskusiti: rutenij, rodij, paladij, srebro, osmij, niobij, tantal, živo srebro, iridij, platina in zlato. Obstaja mnogo definicij in seznamov PK. Eden izmed njih, ki je narejen na podlagi interakcije materiala z okolico, kjer so bolj plemenite kovine in njihovi oksidi manj aktivni oziroma z drugimi besedami bolj korozijsko odporni. To je tudi razlog, zakaj se PK tradicionalno uporabljajo kot nakit. Vendar pa so njihove najbolj pomembne aplikacije kot aktivne spojine v katalizatorjih in v sodobnih električnih in elektronskih napravah.

 

Pomembnost katalize je razvidno že iz dejstva, da več kot devet od desetin komercialnih procesov uporablja katalizatorje za pospeševanje hitrosti kemijske pretvorbe in usmerjanje v želene produkte. Po podatkih Univerze v Oxfordu je svetovna vrednost katalize, tako posredna in neposredna, ocenjujena na 700 milijard £ na podrocjih kot so energija, nadzor nad onesnaževanjem, trajnost in kemijsko proizvodnja. Medtem ko je električna in elektronska industrija ena največjih in najbolj konkurenčnih in rastočih evropskih proizvodnih sektorjev. Le ta vsebuje potrošniške izdelke, turbine, vlake, električna omreža, električne vlake in vozila, radijsko in telekomunikacijsko industrijo, kot t udi brezžično komunikacijsko industrijo, ki zajema vse izdelke, ki uporabljajo radiofrekvenčne spektre, npr mobilne komunikacijske naprave, kot so mobilni telefoni in omrežno mobilno infrastrukturo, radijski in ostali oddajniki, naprave za odpiranje avtomobiljskih vrat, brezžični usmerjevalniki, pomorski radarji, senzorji, itd kar predstavlja okoli 700 miljard eurov letno (vir ec.europa.eu/growth/sectors/electrical-engineering_sl). Glede na poročilo raziskave, je bil v letu 2014 svetovni avtomobilski trg kataliticnih pretvornikov vreden 105,59 milijarde $ in bo po pričakovanjih dosegel 172,80 milijard $ do leta 2021 (vir: www.transparencymarketresearch.com/automotive-catalytic-converter-market.html). Uporablja se za čiščenje izpušnih plinov pri skoraj vsakem motorju z notranjim zgorevanjem. Avtomobilska industrija je ena izmed najpomembnejših svetovnih gospodarskih sektorjev glede na prihodek. Z zaostrovanjem standardov za emisije izpušnih plinov katalitični pretvorniki pridobivajo na pomenu. Pred nedavnim je bilo napovedano, da želi Kitajska uvesti višje okoljske standarde za izpušne pline vozil in jih s tem znižati v povprečju za 50% na leto. Tudi če v prihodnje vozila z motorji a notranje izgorevanje zamenjajo električni, obstaja visoka verjetno, da bojo nekateri izmed njih uporabljali nizkotemperaturno gorivno celico, ki vsebuje platino kjer pa so kolicine platine znatne (10 do 30 g Pt na avto, medtem ko je sedaj v avtih na bencin ali disel priblizno 3 do 5 g Pt). Veliko pa je se plemenitih kovin v industrijskih katalizatorjih (petro kemija, proizvodnja dusikove in ocetne kisline, silikona, …).

Pridobivanje PK je mogoče opredeliti bodisi na visoko temperaturne tehnologije (pirometalurgija) bodisi na tehnologije, ki temeljijo na mokri kemiji (hidrometalurgija). Prva tehnologija temelji na taljenju in ločevanju na podlagi mas. Na splošno ta tehnologija zahteva velike naložbe in je velik porabnik energije. Druga tehnologija, ki se uporabljajo v industriji, pa je izluževanje s kemikalijami kot so zlatotopka; to je vrela visoko-koncentrirana mešanica solne in dušikove kisline. Le ta učinkovito raztaplja paladij, platina, zlato in srebro. Po drugi strani pa odpove v primeru osmija, iridija in srebro. Srebro je topno v čisti dušikovi kislini. Rutenij lahko raztopimo v zlatotopki šele v prisotnosti kisika, pri čemer mora imeti rodij fino zdrobljen obliko. Niobij in tantal sta odporna na vse kisline, vključno z zlatotopko. Druga težava je, da so te vrste procesi podrvženi večjim praktičnim in okoljskim težavam kot so: uporaba strupenih kemikalij, sproščanje nevarnih plinov (pare HCl, Cl2, NOx, nitrozil klorid, itd.) in nevarnim ostankov spiranja, visoke porabe reagentov in stroškov opreme, uporaba koncentriranih kislin, povišanim temperaturam, visokim pritiskov, porabi kemikalij in onesnaževanju odpadnih vod, in tako naprej.

Klasično izluževanje kovin je jasno prikazano na Paurbaux-jevih diagramih kjer so eksperimantalno določene termodinaske vrednosti za različne kovine za celotno potencilano in pH območje. Pravijo jim tudi potencial/pH diagrami, ki lepo orišejo mapo različnih stabilnih (ravnotežnih) faz vodnega elektrokemijskega sistema. Prevladujoče meje med fazami so označene s črtami. Kot taki se Pourbaix-jevi diagrami lahko preberejo podobno kot standardni fazni diagrama le z drugačnim osmi. Tako kot fazni diagram le ti ne dopuščajo efektov hitrost reakcij ali kinetične učinke. To je tudi največja omejitv Paurbaux-jevih diagramov, ki s tem ne morejo prikazati kinetično nadzorovanih prehodnih vrst korozij. Kot zanimivost ti diagram dr niso spremenile že od leta 1966, ko jih objavil Marcel Pourbaix. Nedavni znanstveni dosežki so pokazali, da plemenite kovine iskazujejo nov tip raztapljanja, imenovan kot prehodno raztpljanje, ki je veliko bolj agresivno v primerjavi s klasičnim - termodinamskim. Cilj raziskave je najti boljši način za raztapljanje in s tem recikliranjem PK. Le ta bo temeljil na nedavni odmevni objavi dr. Hodnika v prestižni reviji Nature Communications.

Osnovni podatki glede financiranja

 

Projekt financira ARRS v okviru cenovne kategorije B za obdobje dveh let v obsegu 1 FTE. Pričetek financiranja je 1. 5. 2017.

Faze projekta in njihova realizacija

Pristop k iskanju novih načinov na fundamentalni ravni raztapljanja plemenitih kovn bo razreljen na 8 izzivov/ciljev, ki so našteti spodaj (faze projekta in njihova realizacija):

 

Izzivi in cilji:

  • Študija izvedljivosti: tranzientno raztapljanje tudi ostalih plemenitih kovin v prisotnosti kompleksantov (Cl-, Br-, I-, ...)
  • Reaktivnost plinov: zmoznost plinov vspostavljanja potrebnega potenciala za raztapljanje PK
  • Vizualzacija spreminjanja morfologije nanodelcev vzorcev s plemenitini kovinani (IL-TEM, IL-SEM, in-situ TEM)
  • Izdelava merilnega negradientnega reaktorja
  • Merjenje kinetike reakcij raztapljanja PK
  • Testiranje selektivnosti
  • Testiranje elektrodepozicije kot opcije za ekstrakcijo kovine iz tekoce faze
  • Testiranje raztapljanja v drugih tekočinah (ionske tekočine, oganska topila, ...)

 

Bibliografske reference, ki izhajajo neposredno iz izvajanja projekta

Bibliografske reference, ki izhajajo neposredno iz izvajanja projekta. Naštete so le najpomembnejše, medtem ko so ostale razvidne direktno iz bilbiografije vodje projekta):

 

2017

  1. Applied Catalysis B: Environmental: Cutting the Gordian Knot of electrodeposition via controlled cathodic corrosion enabling the production of supported metal nanoparticles below 5 nm
  2. JACS: Electrochemical Dissolution of Iridium and Iridium Oxide Particles in Acidic Media: Transmission Electron Microscopy, Electrochemical Flow Cell Coupled to Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry, and X-ray Absorption Spectroscopy Study
  3. Nano Energy: New insights into the stability of a high performance nanostructured catalyst for sustainable water electrolysis 
  4. 2018
  5. Chemistry Open: Successful Synthesis of Gold Nanoparticles through Ultrasonic Spray Pyrolysis from a Gold(III) Nitrate Precursor and Their Interaction with a High Electron Beam
  6. npj Materials Degradation: In situ electrochemical dissolution of platinum and gold in organic-based solvent
  7. Journal of Then Electrochemical Society: Platinum Dissolution and Redeposition from Pt/C Fuel Cell Electrocatalyst at Potential Cycling
  8. Applied Catalysis B: Environmental Cutting the Gordian Knot of electrodeposition via controlled cathodic corrosion enabling the production of supported metal nanoparticles below 5 nm
  9. Electrochimica Acta: Stability study of silver nanoparticles towards the halide electroreduction
  10. 2019
  11. Coatings: Effect of Particle Size on the Corrosion Behaviour of Gold in the Presence of Chloride Impurities: An EFC-ICP-MS Potentiodynamic Study

Logotip ARRS in drugih sofinancerjev

Accessibility(CTRL+F2)
color contrast
text size
highlighting content
zoom in