Vodja projekta: izr. prof. Blaž Likozar

Namen akcijskega načrta EU za ničelno onesnaževanje zraka, vode in tal je ustvariti okolje brez strupenih snovi. Ker se raven onesnaženosti vsako leto drastično povečuje, vizija ničelnega onesnaževanja do leta 2030 zahteva takojšnje ukrepe. Fotokataliza je obetavna rešitev čiščenja odpadne vode. Med fotokatalizo nastanejo pari elektron-luknja, ki sodelujejo v reakcijah fotooksidacije in fotoredukcije, ki vodijo do popolne mineralizacije (organskega) onesnaževalca ob svetlobnem obsevanju (UV ali vidno). Projekt načrtuje pripravo novih fotokatalizatorjev v Laboratoriju za uporabne nanomateriale Univerze v Miskolcu na Madžarskem. Sledila bo priprava hibridnega polprevodnika Z-sheme (Fe/Ca)-titanata z bizmutovimi materiali in ogljikovimi nanocevkami. Ti materiali bi lahko bili učinkoviti pri odstranjevanju organskih onesnaževal iz industrijskih odplak. Kompoziti se bodo uporabljali za razgradnjo onesnaževal (barvila in farmacevtskih spojin) v laboratoriju na Fakulteti za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Ljubljani, nadalje pa se bodo uporabljali najučinkovitejši materiali na industrijski ravni (z obstoječimi odpadnimi odpadnimi vodami iz industrije). Učinkovitost kompozitov bo preizkušena s spremljanjem razvoja izkušenega reaktorskega sistema, ki bo implementiran v bilateralni slovensko-madžarski znanstveni projekt. To delo bo potekalo v mednarodnem sodelovanju s prof. Blažem Likozarjem (Kemijski inštitut), ki ima komplementarno in veliko strokovnega znanja na področju fotoreaktorjev različnih velikosti (laboratorijskih in pilotnih) za čiščenje vode. Madžarska skupina ima več kot 10 let izkušenj na raziskovalnem področju fotokatalize in oblikovanja materialov.

Faze projekta in opis njihove realizacije

Projekt je bil usmerjen v razvoj naprednih polprevodniških materialov za učinkovito čiščenje odpadnih voda ter v načrtovanje in izdelavo integriranih fotokatalitskih reaktorskih sistemov za njihovo uporabo. Raziskave so potekale v tesnem sodelovanju med slovensko in madžarsko raziskovalno skupino ter so zajemale sintezo materialov, njihovo karakterizacijo, modeliranje procesov in testiranje v realnih pogojih.

V prvem sklopu je bila izvedena sinteza novih kompozitnih materialov na osnovi titanata, bazičnega bizmutovega nitrata (BBN) in ogljikovih nanocevk (CNT) z uporabo različnih sinteznih pristopov. Poseben poudarek je bil na pripravi kompozitov BBN z različnimi oblikami titanovega dioksida ter z mineralom ilmenitom (FeTiO₃), pri čemer je bila uporabljena hidrotermalna metoda za doseganje neposrednega stika med komponentami, kar je ključno za učinkovito fotokatalitično delovanje.

V nadaljevanju je bila optimizirana sinteza z namenom izboljšanja medfazne kompatibilnosti in stabilnosti materialov. Ilmenit je bil predhodno kislinsko obdelan za odstranitev površinskih nečistoč in aktivacijo reaktivnih mest. Zaradi nižje specifične površine ilmenita v primerjavi s TiO₂ so bila prilagojena masna razmerja komponent, kar je omogočilo boljšo pokritost površine in izboljšano učinkovitost kompozitov. Hkrati je bila preučena tudi fotokemična in kemijska stabilnost pripravljenih materialov.

Pomemben del projekta je predstavljalo računsko modeliranje fotokatalitskih procesov na atomskem nivoju z uporabo metod gostotnega funkcionala (DFT in TD-DFT), povezanih z mikrokinetičnimi modeli. Rezultati so pokazali, da vzbujeno stanje bistveno znižuje energijske bariere reakcij na površini katalizatorjev, ter da je aktivnost materialov močno odvisna od njihove elektronske strukture. Poleg tega so bili proučevani tudi hibridni sistemi na osnovi grafitnega ogljikovega nitrida, ki omogočajo učinkovito shranjevanje svetlobne energije v kemijskih produktih.

Sintezirani materiali so bili podrobno karakterizirani z naprednimi fizikalno-kemijskimi metodami (XRD, SEM, TEM, XPS, adsorpcija dušika, FTIR), kar je omogočilo vpogled v njihovo kristalno strukturo, morfologijo in površinske lastnosti. Ugotovljeno je bilo, da se BBN uspešno veže na komercialni TiO₂ (P25), medtem ko je bila vezava na ilmenit manj učinkovita, kar nakazuje pomembno vlogo površinske kemije in faznih mej pri tvorbi kompozitov.

Razviti materiali so bili testirani za čiščenje realnih in modelnih odpadnih voda, pridobljenih od industrijskih partnerjev, pri čemer so bili doseženi zelo dobri rezultati, čeprav podrobni podatki zaradi zaupnosti niso javno dostopni. Učinkovitost fotokatalitske razgradnje je bila ovrednotena z uporabo modelnih onesnažil, kot je farmacevtska učinkovina ibuprofen. Kompozit TiO₂-BBN je pokazal izjemno visoko aktivnost, saj je omogočil popolno razgradnjo ibuprofena v zelo kratkem času tako pod UV kot vidno svetlobo, kar predstavlja pomembno izboljšavo v primerjavi s standardnim materialom P25.

Za prenos tehnologije v prakso so bili razviti tudi napredni fotokatalitski reaktorji, vključno s kontinuirnim cevnim reaktorjem in šaržnim reaktorjem z UV LED osvetlitvijo. Posebna pozornost je bila namenjena imobilizaciji katalizatorjev na nosilce (npr. steklene kroglice), kar zmanjšuje izgube nanodelcev in omogoča stabilnejše delovanje sistema. Optimizirana je bila tudi porazdelitev svetlobe in prenos snovi znotraj reaktorjev, kar bistveno vpliva na učinkovitost procesa.

Celoten projekt tako predstavlja celovit pristop, ki združuje sintezo novih materialov, njihovo temeljno razumevanje, inženirsko načrtovanje reaktorjev ter aplikativno testiranje v realnih okoljih, z jasnim ciljem razvoja učinkovitih in trajnostnih tehnologij za čiščenje odpadnih voda.

Projekt financira ARIS v okviru cenovne kategorije C za obdobje 3 let v obsegu 653 letnimi urami. Pričetek financiranja je 01.1.2023.

Na Kemijskem inštitutu v projektni skupini sodelujejo:

Dr. Blaž Likozar (https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/18823)

Dr. Nataša Novak Tušar (https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/8049)

Dr. Matej Huš (https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/38950)

Dr. Andraž Pavlišič (https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/39143)

Matic Grom (https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/32589)

Dr. Andraž Šuligoj (https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/39161)

Dr. Urška Lavrenčič Štangar (https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/7521)

Dr. Romana Cerc Korošec (https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/9333)

Dr. Boštjan Žener (https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/researcher/44068)

[1] KOVAČIČ, Žan et al. Ab initio modelling of photocatalytic CO2 reduction reactions over Cu/TiO2 semiconductors including the electronic excitation effects. Chemical engineering journal. 2024, vol. 485, 149894, str. 1-13 [COBISS.SI-ID 188821763]

[2] ZOLTOWSKA, Sonia et al. Merging heterogeneous graphitic carbon nitride photocatalysis with cobaloxime catalysis in uphill dehydrogenative synthesis of anilines. ChemSusChem. 2025, vol. 18, iss. 12, e202402439, str. 1-10, [COBISS.SI-ID 231489795]

[3] DAS, Susmita, et al. Artificial neural network modeling of photocatalytic degradation of pollutants : a review of photocatalyst, optimum parameters and model topology. Catalysis reviews: science and engineering. 2025, vol. 67, iss. 3, str. 544-578, [COBISS.SI-ID 192168707]

[4] JAMIL, Qasim, ŽENER, Boštjan, PUTAR, Ula, MATOH, Lev. Continuous flow photocatalytic reactor for degradation of selected pollutants : modeling, kinetics, mineralization rate, and toxicity assessment. Heliyon. 2024, vol. 10, iss. 21, e40019, str. 1-14, [COBISS.SI-ID 214006531]

[5] JAMIL, Qasim, RANA, Khush Bakhat, MATOH, Lev. A CFD study on optimization of mass transfer and light distribution in a photocatalytic reactor with immobilized photocatalyst on spheres. Water. 2024, vol. 16, iss. 13, 1828, str. 1-13, [COBISS.SI-ID 199998211] 

[6] ŠULIGOJ, Andraž, et al. Transparent vanadium doped titania-silica films : structural characterization and self-cleaning properties. Journal of environmental chemical engineering. 2024, vol. 12, issue 5, 113904, str. 1-14, [COBISS.SI-ID 206731267] 

[7] ŠULIGOJ, Andraž et al. Enhanced Removal of Bisphenols Using Immobilized TiO2 in Photocatalytically Assisted Hydrodynamic Cavitation (accepted for publication in Ultrasonics Sonochemistry) 

[8] ŽENER, Boštjan et al. Photocatalytic degradation of PFOA: Defluorination, toxicity assessment and catalyst regeneration (under review at Journal of Hazardous Materials Advances)