Schválené projekty 2013

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2013

Celková přidělená částka z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum na VŠB-TUO - 50 297 tis.Kč

Z toho 2.5%  - 1 257 425 Kč - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakultačástka v tis. Kč
FBI 1 384
EKF 5 219
FAST 3 132
FS 11 112
FEI 12 608
HGF 7 091
FMMI 7 130
CNT 1 363
CELKEM 49 039

Rezerva 575,- Kč
825,- Kč Fond účelových prostředků (nevyčerpaná rezerva z roku 2012)

KódSP2013/77
Název projektuFotokatalyticky aktivní materiály založené nananočásticích TiO2 fixovaných na povrchu kaolinitu
ŘešitelMatějka Vlastimil doc. Ing., Ph.D.
Školitel projektu
Období řešení projektu01.01.2013 - 31.12.2013
Předmět výzkumuShrnutí současného stavu poznání, úvod do řešené problematiky. Zvyšující se životní nároky společnosti se silně promítají do výzkumu a vývoje v oblasti materiálového inženýrství. Je vyžadován vývoj nových sofistikovaných materiálů – nanomateriálů, které by svojí funkčností v mnoha směrech lidem zjednodušovaly život a současně odlehčovaly životnímu prostředí. Nové aplikace, lákavá perspektiva bezodpadového a ekologicky příznivého řešení likvidace nebo recyklace odpadních vod, čištění vzduchu v pracovních prostorech, vytvoření samočisticích povrchů na stěnách v nemocnicích, výškových budovách nebo na automobilových sklech vyvolávají velký nárůst zájmu o fotokatalytické procesy. Lze s jistotou říct, že v posledních letech fotokatalýza prochází renesančním obdobím. V této oblasti sehrávají nezastupitelnou roli různé porézní krystalické materiály. Právě jejich více či méně uspořádaná vnitřní porézní struktura či krystalinita významně rozhodují o jejich funkčních vlastnostech. Tyto materiály jsou dále často modifikovány – funkcionalizovány organickými ligandy či dopovány vzácnými kovy, lanthanoidy, dusíkem, sírou – za účelem dosažení ještě lepších funkčních vlastností, např. přímo vlivem slunečního záření. V současnosti se v souvislosti s aplikacemi fotoaktivních materiálů dokonce hovoří o ‘revoluci v čištění světlem‘.

Fotokatalyticky aktivní materiály, nejčastěji ve formě prášku či tenké vrstvy, vlivem působení světelného záření vhodné vlnové délky urychlují chemický rozklad (degradaci) různých organických či anorganických polutantů či likvidují mikroorganismy. Je-li materiál s fotokatalytickými vlastnostmi vystaven světelnému záření vhodné vlnové délky (nejčastěji s vlnovou délkou ~ 370 nm), aktivuje se jeho povrch a spustí se charakteristická reakce. Absorpcí světelného kvanta dochází k excitaci elektronu z valenčního do vodivostního pásu a primárně tak vzniká energeticky bohatý pár elektron–elektronová vakance (díra).
Kladně nabitá díra následně reaguje s molekulou vody (např. ze vzdušné vlhkosti) a dochází tak ke vzniku hydroxylového radikálu a protonu. Vysoce reaktivní hydroxylovéradikály vykazují silné oxidační účinky.
Druhý z páru, excitovaný elektron ve vodivostním pásu, reaguje s molekulou kyslíku a protonem, produktem této druhé reakce je peroxoradikál.
Tyto dvě reakce jsou prvním krokem při fotokatalytickém procesu. Následující reakce vzniklých radikálů se samotnou organickou látkou vedou k jejímu odbourání, v ideálním případě až na oxid uhličitý a vodu.

Mezi nepoužívanější fotokatalyzátory současnosti stále patří polovodič TiO2. Je komerčně dobře dostupný, odolný proti korozi, chemicky stabilní a má vhodné optické a elektronové vlastnosti. Účinnost TiO2 jako fotokatalyzátoru záleží na mnoha faktorech. Mezi nejdůležitější patří právě jeho krystalová struktura, velikost částic a rychlost rekombinace generovaných párů elektron–elektronová vakance.

V řadě publikací byl rovněž prokázán pozitivní efekt fixace nanočástic TiO2 na vhodný substrát, např. jílový nosič, grafit, křemen aj. Tímto způsobem dochází ke vzniku nanostrukturovaných kompozitních materiálů, které vykazují vyšší fotodegradační účinnost v porovnání s čistými TiO2 částicemi. Nespornou výhodou nanostrukturovaných kompozitních materiálů založených na fixaci nanočástic na povrchu částic nosičů, jejich velikost je řádově až 1000x vyšší, tedy v jednotkách až stovkách mikrometrů, je snadnější manipulace s tímto materiálem v porovnání s čistými nanočásticemi TiO2 a rovněž snadnější separace po procesu fotokatalytického čištění kontaminovaných vod.

Výše uvedené benefity kompozitů kaolinit/TiO2 jsou důvodem zdokonalování postupů jejich přípravy, což je i předmětem výzkumu předkládaného projektu, který využívá jako vstupní materiál práškový titanyl sulfát (TiOSO4).

Projekt je pomyslně rozdělen do čtyř dílčích etap:

V rámci první etapy bude připraven fotokatalyticky aktivní kompozit kaolin/TiO2. Pro přípravu tohoto kompozitu se bude vycházet z cenově dostupného prekurzoru, kterým je titanyl sulfát (TiOSO4). Na rozdíl od předchozích postupů, kdy látka TiOSO4 byla k dispozici ve formě koloidní suspenze, bude TiOSO4 k dispozici v práškovém stavu, což umožňuje jednodušší transport i manipulaci s touto, v kapalném stavu poměrně agresivní, chemikálií. Před vlastní syntézou bude potřeba připravit koloidní roztok této chemikálie v okyselené destilované vodě a upravit pH tohoto roztoku tak, aby nedocházelo k precipitaci oxidu titaničitého. Výhodou tohoto postupu je možnost přípravy koloidního roztoku s požadovanou koncentrací TiO2, lze tedy připravit kompozity i s poměrně nízkým obsahem TiO2 (v jednotkách hm. %). Přípravou stabilního koloidního roztoku se bude zabývat student Bc. Jaroslav Lang. Součástí tohoto úkolu bude využití připraveného koloidního roztoku pro přípravu kompozitů kaolin/TiO2 s obsahem 5 a 20 hm. % TiO2. Připravené kompozity budou kalcinovány při teplotě 600 °C po dobu 1, 2 a 3 hodin. Jako referenční vzorek bude sloužit čisté TiO2 připravené stejným postupem jako kompozity, reakční směs nebude obsahovat jílový nosič, tepelné zpracování čistého TiO2 bude probíhat stejným způsobem jak v případě kompozitů. Na této části projektu se bude podílet celý řešitelský tým.

V rámci druhé etapy budou vzorky připravených kompozitů studovány pomocí vybraných technik chemické a fázové analýzy (RTG fluorescenční spektroskopie, RTG difrakční analýzy a IČ spektrometrie). Vzorky kompozitů před kalcinací budou podrobeny termické analýze. Pro studium texturních vlastností připravených kompozitů bude využita fyzikální adsorpce a vysokotlaká rtuťová porozimetrie. U připravených vzorků kompozitů bude testována jejich fotodegradační aktivita vůči vybranému modelovému barvivu. Na řešení této etapy se budou podílet celý řešitelský tým projektu.

Dosavadní zkušenosti členů řešitelského týmu v dané oblasti výzkumu – Publikace v zahraničních recenzovaných časopisech:

Matějka V., Matějková P., Kovář P., Vlček J., Přikryl J., Červenka P., Lacný Z., Kukutschová J.: Metakaolinite/TiO2 composite: Photoactive admixture for building materials based on Portland cement binder. Construction and Building Materials, 35 (2012) 38-44. (IF 1.834)
Mamulová Kutláková, K.; Tokarský, J.; Kovář, P.; Vojtěšková, S.; Kovářová, A.; Kukutschová, J.; Čapková, P.; Matějka, V. Preparation and characterization of photoactive composite kaolinite/TiO2. J. Haz. Mat. 188 (2011) 212–220. (IF2010: 3.723).
Kočí, K.; Matějka, V.; Kovář, P.; Lacný, Z.; Obalová, L. Comparison of the Pure TiO2 and Kaolinite/TiO2 Composite as Catalyst for CO2 Photocatalytic Reduction. Cat. Today. 161 (2010) 105 – 109. (IF 2.993).
Matějová L., Matěj Z., Fajgar R., Cajthaml T., Šolcová O.: TiO2 powders synthesized by pressurized fluid extraction and supercritical drying: Effect of water and methanol on structural properties and purity. Mater. Res. Bull. 47(11) (2012) 3573–3579. (IF 2.105)
Matějová L., Matěj Z., Šolcová O.: A facile synthesis of well-defined titania nanocrystallites: study on their growth, morphology and surface properties. Micropor. Mesopor. Mat. 154 (2012) 187-195. (IF 3.285)
Matěj Z., Matějová L., Novotný F., Drahokoupil J., Kužel R.: Determination of crystallite size distribution histogram in nanocrystalline anatase powders by XRD. Z. Kristallogr. Proc. 1 (2011) 87-92.
Matějová L., Cajthaml T., Matěj Z., Benada O., Klusoň P., Šolcová O.: Super/subcritical fluid extractions for preparation of the crystalline titania. J. Supercrit. Fluids 52(2) (2010) 215-221. (IF 2.860)
Členové řešitelského týmuIng. Jaroslav Lang, Ph.D.
doc. Ing. Vlastimil Matějka, Ph.D.
Ing. Lenka Matějová, Ph.D.
Ing. Petra Vilímová
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Cíle projektu.

(1) Studium přípravy stabilního koloidního roztoku TiOSO4 za účelem přípravy kompozitu kaolin/TiO2 ‘šitého na míru‘ (tj. s definovaným množstvím TiO2) – hlavním předmětem diplomové práce Bc. Jaroslava Langa.

(2) Studium vlivu kalcinačních podmínek na strukturní vlastnosti, texturní vlastnosti a fotodegradační aktivitu připravovaného kompozitu kaolin/TiO2 a referenčního TiO2 – hlavním předmětem diplomové práce Bc. Petry Vilímové.

Navrhovaný projekt významně přispěje nejen k značnému prohloubení znalostí v oblasti přípravy fotokatalyticky aktivních materiálů na bázi kaolinu a TiO2, ale i k rozšíření možností využití cenově dostupného prekurzoru, titanyl sulfátu v práškové formě, k přípravě fotokatalyticky aktivních kompozitů typu kaolin/TiO2, které mohou sloužit například jako příměsi komerčně velmi atraktivních cementových past využívaných hojně ve stavebním průmyslu.
Získané výsledky budou rovněž prezentovány formou posterů a přednášek především na národních konferencích a budou publikovány v zahraničních recenzovaných časopisech.

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia42000,-42000,-
3. Materiálové náklady40000,-27823,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek20000,-27540,-
5. Služby29000,-30240,-
6. Cestovní náhrady4000,-7397,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory15000,-15000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady150000,-
Uznané náklady150000,-
Celkem běžné finanční prostředky150000,-150000,-