Napovedovanje nukleacijskih procesov elektrokemijske tvorbe faz s kombinacijo in situ elektronske mikroskopije in večstopenjskim modeliranjem
Oznaka in naziv projekta
N1-0196 Napovedovanje nukleacijskih procesov elektrokemijske tvorbe faz s kombinacijo in situ elektronske mikroskopije in večstopenjskim modeliranjem
N1-0196 Prediction of the initial stages of electrochemical phase formation by multi-scale modelling and in-situ transmission electron microscopy
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: prof. dr. Sašo Šturm
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Sodelujoče raziskovalne organizacije:
1. Vrije Universiteit Brussel (sodelujoča organizacija v tujini)
2. Kemijski inštitut (soizvajalec)
Raziskovalci:
1. prof. dr. Kristina Žužek Rožman (IJS)
2. dr. Sorour Semsari Parapari (IJS)
3. dr. Špela Trafela (IJS)
4. Anja Korent (IJS)
5. dr. Blaž Likozar (KI)
6. Anže Prašnikar (KI)
7. dr. Matej Huš (KI)
8. prof. dr. Annick Hubin (sodelujoči raziskovalec v tujinu)
Vsebinski opis projekta
Dandanes se sinteza širokega spektra tehnološko zanimivih materialov lahko vrši s pomočjo elektrokemijskih principov tvorbe faz. Pri tem se izkazuje, da je prebojni razvoj novih materialov v veliki meri še vedno omejen z razumevanjem procesov elektrokemijske nukleacije in zgodnje rasti (EN&G). Trenutna spoznanja na tem področju kažejo, da elektrokemijsko tvorbo faz v nekaterih sistemih veliko bolje razloži koncept več-stopenjske nukleacije (površinska difuzija, združevanje nanoskupki, itn.) v primerjavi s klasično teorijo nukleacije, t.j. s neposrednim prehodom elementov iz ionskih raztopin v nukleacijske trdne skupke ali plasti. Prav zaradi tega je naš ključni raziskovalni cilj razviti celovit kinetični model, ki bo omogočal natančno napoved EN&G elektrokemijskih faz, z upoštevanjem možnosti več-stopenjske nukleacije. Za razvoj celovitega kinetičnega modela rasti faz potrebujemo eksperimentalne podatke, visoko-prostorsko in Časovno ločljive, t.j. možnost opazovanja EN&G in-situ, v dinamičnih pogojih. Zelo primerna metoda za pridobitev tovrstnih eksperimentalnih podatkov je presevna elektronska mikroskopija z uporabo in-situ elektrokemijske celice (EC-TEM). Le-ta omogoča zajem EN&G informacije v realnem času in tako nudi dinamičen vpogled v razvoj materialov na nano nivoju. Kljub temu ima ta metoda določene omejitve, ki lahko bistveno vplivajo na opazovani sistem in je predvsem povezan z interakcijo visoko-energijskega elektronskega snopa z vodnimi raztopinami in elektrodami znotraj elektrokemijske celice. Gre za znan pojav radiolize, ki lahko znatno vpliva na kinetiko EN&G in s tem posledično na interpretacijo EC-TEM podatkov. Za natančno opredelitev vpliva radiolize na opazovan sistem bomo uporabili dva med seboj prepletena raziskovalna principa, razvoj modela kinetike EN&G, ki se bo napajal z eksperimentalnimi podatki pridobljenimi s pomočjo EC-TEM. Slednje nam bo omogočilo optimizacijo preiskovanega sistema do te mere, da bo vpliv elektronskega snopa na procese EN&G kvantitativno natančno opredeljen. Radioliza bo tako koherentno vključena v modeliranje elektrokemijskih procesov s ciljem končne interpretacije elektrokemijskih procesov v fazi EN&G in s tem boljšega načrtovanja elektrokemijsko kontrolirane sinteze materialov.
Electrodeposition offers the most versatile and scalable route for material growth. However, our current understanding is inaccurate and incomplete: electrochemical nucleation and growth (EN&G) does not proceed only by a classical pathway (direct attachment of ions from solution), but also by non-classical routes (nanocluster surface diffusion & aggregation, etc.). Our goal is to develop a comprehensive model to predict the initial stages of electrochemical phase formation taking non-classical growth pathways into account. To get consistent experimental data on nucleation and growth kinetics, an in-situ method with high resolution is essential. For this, in-situ electrochemical transmission electron microscopy (EC-TEM) is best suited since it allows recording videos where nanometer-sized features are visualized dynamically. Yet, the method has important limitations: accelerated electrons interact with the electrodes and species in solution, altering the EN&G kinetics and preventing a correct interpretation of ECTEM data. Although the electron beam effects can be partially mitigated, they cannot be completely avoided. To solve this, we propose a combined modelling-experimental approach to (1) optimize the experimental conditions so the influence of the electron beam in EN&G is minimized; and (2) model the unavoidable effect of electron beam irradiation in electrochemical, solution and surface processes so kinetic data on EN&G can be correctly interpreted.
Osnovni podatki sofinanciranja so dostopni na spletni strani SICRIS.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Faza
2. Faza
3. Faza