Več-kalorični elementi za okolju prijazne haldilne sisteme
Oznaka in naziv projekta
N2-0212 Več-kalorični elementi za okolju prijazne haldilne sisteme
Logotipi ARRS in drugih sofinancerjev
Projektna skupina
Vodja projekta: prof. dr. Hana Uršič Nemevšek
Sodelujoče raziskovalne organizacije: Povezava na SICRIS
Sestava projektne skupine: Povezava na SICRIS
Vsebinski opis projekta
Kompresijsko hladilna tehnika je stara več kot 200 let. Njena nizka učinkovitost je posledica velikega dela pri stiskanju plina, ki se nato razširi in odvzame toploto sistemu, ki ga je potrebno ohladiti. Večina domačih hladilnikov deluje pod 50% Carnotovega izkoristka. Druga težava pri današnjih hladilnikih je uporaba hladilnih sredstev, ki dokazano škodujejo podnebnim razmeram. Omenjeno nam daje nekaj predstave o "hladilnem" problemu, s katerim se dandanes sooča svet: imamo staro in neučinkovito tehnologijo, ki se ne more spoprijeti z velikanskimi zahtevami glede učinkovitosti, vpliva na okolje in miniaturizacije hladilnih naprav. Obetavna rešitev je uporaba hlajenja na osnovi kaloričnega pojava. Cilj projekta je razviti novo generacijo hladilnih elementov, ki v istem vzorcu kombinirajo elektrokalorični (EK) in magnetokalorični (MK) učinek (multikalorični učinki, kratko (E+M)C). To bo izvedeno na dva načina: pripravili bomo kompozitne in enofazne multikalorične elemente (cilj 1 in 2).
CILJ 1: pripraviti kompozitne (E+M)C elemente
Kompozitni multikalorični elementi bodo pripravljeni iz najboljših EK in MK materialov, kot so Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–PbTiO3 (PMN–PT), gadolinij, magnetokalorične zlitine ali magnetni oksidi. Do danes takšni kompoziti še niso bili pripravljeni, saj je zelo težko sintrati keramične okside in kovine skupaj pri visokih temperaturah. V tem projektu bomo to težavo rešili z uporabo nizkotemperaturne metode priprave kompozitov, in sicer z metodo nanašanja v aerosolu (AD). Metoda AD omogoča kombiniranje keramike, kovin in polimerov. S tem postopkom je mogoče pri sobni temperaturi pripraviti goste nekaj mikrometrov debele plasti. S to metodo bomo poskusili pripraviti različne kombinacije multikaloričnih kompozitnih elementov (kot so plastni kompoziti, mešani kompoziti in tako dalje).
CILJ 2: pripraviti enofazne (E+M)C elemente
Enofazne multikalorične elemente bomo pripravili s kemično modifikacijo najboljših multiferroičnih materialov. Začeli bomo s pripravo trdne raztopine in z uporabo ustreznega razmerja Pb(Fe0.5Nb0.5)O3 (PFN):BiFeO3 (BFO). Pripravljene materiale bomo nadalje kemijsko modificirali, da bomo zmanjšali električno prevodnost ter povišali magnetne lastnosti. Materiale bomo dopirali z manganom, da bomo znižali električno prevodnost. Nadalje bomo materiale modificirali z različnimi dopanti. V okviru projekta bomo optimizirali sestavo pripravljenega materiala ter izboljšali začetne kalorične lastnosti. Seveda bo potrebno vrsto in količino dodatka različnih dopantov ter postopek priprave materialov optimizirati.
Faze projekta in opis njihove realizacije
1. Priprava prahov: prva faza projekta je v izvajanju. Pripravljajo se prahovi na osnovi PMN-PT in PFN-BFO. Pripravili smo prahove PMN-10PT z različnimi velikostmi delcev ter jih z nanosom v aerosolu nanesli na podlage. Preučevali smo, kako lastnosti začetnega prahu vplivajo na depozicijo debelih plasti. Dognanja smo objavili v članku v reviji Acta Materialia. Plasti smo tudi okarakterizirali in raziskave objavili v reviji Small Methods in Journal of materials chemistry. C. Nadalje razmišljamo o pripravi materialov brez svinca (objava v reviji Journal of Materials Chemistry A).
2. Multikalorični kompoziti: druga faza projekta je v izvajanju. Sprva smo preučili možnost priprave večplastnih kompozitov keramika/kovina z metodo nanosa v aerosol. Raziskave smo objavili v revijah Materials and Crystals. Nadaljujemo s preučevanjem priprave multikaloričnih kompozitov z metodo nanosa v aerosolu. Kalorične lastnosti smo predstavili na mednarodnih konferencah (reference so podane spodaj).
3. Priprava enofaznih multikalorikov: tretja faza je v izvajanju. Pripravljamo PFN-BFO keramiko in plasti z različnimi dopanti. Okarakterizirali smo njihove magnetne lastnosti na lokalni ravni (objava v reviji Crystals). Kalorične lastnosti smo predstavili na mednarodnih konferencah (reference so podane spodaj).
4. Upravljanje projekta: do sedaj je objavljenih 8 znanstvenih člankov . Raziskave smo predstavili tudi na mednarodnih konferencah (bibliografske reference spodaj).
Bibliografske reference
[1] Šadl Matej, Tomc Urban and Uršič Hana, Investigating the feasibility of preparing metal-ceramic multi-layered composites using only the aerosol-deposition technique. Materials, 2021, vol. 14 [COBISS.SI-ID 72970755].
[2] Šadl Matej, Condurache Oana, Benčan Andreja, Dragomir Mirela, Prah Uroš, Malič Barbara, Deluca Marco, Eckstein Udo, Hausmann Daniel, Khansur Neamul Hayet, Webber Kyle Grant and Uršič Hana, Energy-storage-efficient 0.9Pb(Mg1/3Nb2/3)O3–0.1PbTiO3 thick films integrated directly onto stainless steel. Acta materialia, 2021, vol. 21 [COBISS.SI-ID 81773059]
[3] Prah Uroš, Šadl Matej, Torello Alvar, Lheritier Pierre, Kovacova Veronika, Uršič Hana, Defay Emmanuel. Direct electrocaloric characterization of ceramic films. Small methods, 2023, vol 7 [COBISS.SI-ID 153049859]
[4] Regis de Moraes Victor, Šadl Matej, Brennecka Geoff, Bradeško Andraž, Tomc Urban, Uršič Hana. Investigation of structural and electrical properties of Al2O3/Al composites prepared by aerosol co-deposition. Crystals, 2023, vol. 13 [COBISS.SI-ID 152943619].
[5] Uršič Hana, Šadl Matej, Prah Uroš, Fišinger Val. Magnetic force microscopy of multiferroic bulk ceramic oxides. Crystals, 2023, vol 13 [COBISS.SI-ID 152961283].
[6] Eyoum Gina E., Eckstein Udo, Uršič Nemevšek Hana, et al. Influence of temperature-induced A-site cation redistribution on the functional properties of A-site complex polar perovskite K1/2Bi1/2TiO3. Journal of materials chemistry. A, Materials for energy and sustainability, 2023, vol. 11 [COBISS.SI-ID 147819011].
[7] Hadouch Youness, Mezzane Daoud, Amjoud M'barek, Uršič Hana, Fišinger Val et al. Multiferroic CoFe2O4−Ba0.95Ca0.05Ti0.89Sn0.11O3 core-shell nanofibers for magnetic field sensor applications. ACS Applied Nano Materials, 2023, vol. 6 [COBISS.SI-ID 154815235].
[8] ŠADL, Matej, PRAH, Uroš, KOVACOVA, Veronika, DEFAY, Emmanuel, ROJAC, Tadej, LEBAR, Andrej, VALENTINČIČ, Joško, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Multifunctional flexible ferroelectric thick-film structures with energy storage, piezoelectric and electrocaloric performance. Journal of materials chemistry. C, Materials for optical and electronic devices. [Online ed.]. 2023, 11, str. 10058-10068, ilustr. ISSN 2050-7534. https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2023/TC/D3TC01555F, https://repozitorij.uni-lj.si/IzpisGradiva.php?id=152369, DOI: 10.1039/D3TC01555F. [COBISS.SI-ID 160044035]
[9] URŠIČ NEMEVŠEK, Hana, REGIS DE MORAES, Victor. Preparation of functional composite films using the aerosol deposition method. V: EMA 2024: Basic Science and Electronics Division Meeting. Westerville: The American Ceramic Society. 2024, 1 spletni vir. https://eppro01.ativ.me/src/EventPilot/php/express/web/planner.php?id=EMA24. [COBISS.SI-ID 186170627]
[10] REGIS DE MORAES, Victor, ŠADL, Matej, BENČAN, Andreja, DRAŽIĆ, Goran, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Preparation of lead magnesium niobate-based multicaloric composites using the aerosol deposition method. V: Conference and exibition of the European Ceramic Society : When ceramists meet in the city of lights : 18th ECERS, Lyon, France, 2-6 Jul. 2023 : program book. Lyon: ECERS, 2023. Str. [1]. https://www.ecers2023.org/en/program/full-conference-program/34?paramSearch34-0=Regis. [COBISS.SI-ID 163726595]
[11] REGIS DE MORAES, Victor, ŠADL, Matej, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Preparation of multicarolic composites by aerosol deposition method. V: 2022 UFFC feroelectrics school : Monday June 20 - Friday June 24, 2002, Lyon, France. Lyon: INSA: Ecole Centrale de lyon, 2022. Str. 71. [COBISS.SI-ID 115013891]
[12] REGIS DE MORAES, Victor, ŠADL, Matej, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Aerosol-deposited multicaloric composites. V: ROJAC, Tadej (ur.), OTONIČAR, Mojca (ur.). 57th International Conference on Microelectronics, Devices and Materials & The Workshop on Energy Harvesting: Materials and Applications : conference 2022 : proceedings : September 14 - September 16 2022, Maribor, Slovenia. Ljubljana: MIDEM - Society for Microelectronics, Electronic Components and Materials, 2022. Str. 113-114. ISBN 978-961-95495-1-3. [COBISS.SI-ID 122026499]
[13] REGIS DE MORAES, Victor, ŠADL, Matej, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana, et al. Preparation of multicaloric composites using aerosol deposition method. V: ISAF 2022 : ISAF-PFM-ECAPD [joint conference] : June 27-July 1, 2022, Tours, France. Piscataway: IEEE = Institute of Electrical and Electronics Engineers. 2022, 1 str., ilustr. https://2022.ieee-isaf.org/. [COBISS.SI-ID 117410051]
[14] URŠIČ NEMEVŠEK, Hana, ŠADL, Matej, REGIS DE MORAES, Victor, GORIČAN, Ivana, PRAH, Uroš, DEFAY, Emmanuel, LEBAR, Andrej, VALENTINČIČ, Joško. Energy storage and caloric ceramic thick films on flexible polymer substrates : IEEE 2023 ISAF-ISIF-PFM Joint Conference (Hybrid Format). [COBISS.SI-ID 162172675]
[15] GORIČAN, Ivana, PRAH, Uroš, DRNOVŠEK, Silvo, ŠADL, Matej, ROJAC, Tadej, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. (1–x)Pb(Fe0.5Nb0.5)O3–xBiFeO3 bulk ceramics and thick films for energy storage applications: work in progress: Versatile usefulness of ferroic Materials, Ankaran (21-22 November 2023)▫. [COBISS.SI-ID 178790403]
[16] GORIČAN, Ivana, PRAH, Uroš, DRNOVŠEK, Silvo, ŠADL, Matej, ROJAC, Tadej, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Pb(Fe0.5Nb0.5)O3–BiFeO3bulk ceramics and screen-printed films for energy storage applications. V: EMA 2024 : Basic Science and Electronics Division Meeting. Westerville: The American Ceramic Society. 2024, 1 spletni vir. https://eppro01.ativ.me/src/EventPilot/php/express/web/planner.php?id=EMA24. [COBISS.SI-ID 186173443]
[17] GORIČAN, Ivana, PRAH, Uroš, DRNOVŠEK, Silvo, ŠADL, Matej, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Energy storage properties of (1–x)Pb(Fe0.5Nb0.5)O3–xBiFeO3 bulk ceramics and ceramic thick films. V: SRDIĆ, Vladimir V. (ur.), HŘÍBALOVÁ, Soňa (ur.). 15th ECerS Conference for Young Scientists in Ceramics : programme and book of abstracts : October 11-14, 2023, Novi Sad, Serbia. Novi Sad: Faculty of Technology, 2023. Str. 101, graf. prikazi. ISBN 978-86-6253-174-2. [COBISS.SI-ID 168683523]
[18] GORIČAN, Ivana, PRAH, Uroš, DRNOVŠEK, Silvo, ŠADL, Matej, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Energy storage properties of (1-x)Pb(Fe0.5Nb0.5)O3–xBiFeO3 bulk ceramics and thick films. V: KUZMIĆ, Nina (ur.), et al. 15th Jožef Stefan International Postgraduate School Students’ Conference, 31st May - 2nd June 2023, Kamnik, Slovenia : Book of abstracts. Ljubljana: Jožef Stefan Institute: Jožef Stefan International Postgraduate School, 2023. Str. 66, graf. prikazi. http://ipssc.mps.si/auxiliary_material/BoA%20IPSSC%202023.pdf. [COBISS.SI-ID 156357891]
[19] GORIČAN, Ivana, PRAH, Uroš, DRNOVŠEK, Silvo, ŠADL, Matej, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. (1-x)Pb(Fe0.5Nb0.5)O3–xBiFeO3 bulk ceramics and thick films for energy storage applications. V: KUŠČER, Danjela (ur.), ŽAGAR, Kristina (ur.). 58th International Conference on Microelectronics, Devices and Materials & The Workshop on Chemical sensors: Materials and Applications : conference 2023 : proceedings : September 27- September 29, Lipica, Slovenia. Ljubljana: MIDEM - Society for Microelectronics, Electronic Components and Materials, 2023. Str. 103-104, graf. prikaza. ISBN 978-961-95495-2-0. [COBISS.SI-ID 166882563]
[20] GORIČAN, Ivana, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Multifunctional ceramic materials for future cooling and energy storage applications. 2023. IJS delovno poročilo, 14368. [COBISS.SI-ID 150200835]
[21] MERSELMIZ, Soukaina, REGIS DE MORAES, Victor, ŠADL, Matej, MALIČ, Barbara, DEBEVEC, Andrej, DRNOVŠEK, Silvo, URŠIČ NEMEVŠEK, Hana. Lead-free Ba(Zr,Ti)O3−(Ba,Ca)TiO3 thick films prepared by aerosol deposition and screen-printing techniques. V: KUŠČER, Danjela (ur.), ŽAGAR, Kristina (ur.). 58th International Conference on Microelectronics, Devices and Materials & The Workshop on Chemical sensors: Materials and Applications : conference 2023 : proceedings : September 27- September 29, Lipica, Slovenia. Ljubljana: MIDEM - Society for Microelectronics, Electronic Components and Materials, 2023. Str. 101-102, ilustr. ISBN 978-961-95495-2-0. [COBISS.SI-ID 167134467]