Enerģijas iegūšanas un uzkrāšanas materiālu laboratorija

1.Tēma “Elektrokatalītiski un fotokatalītiski aktīvi nanomateriālu kompozīti (iegūšana, raksturošana) un to pielietošana ūdeņraža iegūšanai sadalot ūdeni, kā arī gaisa piesārņojuma samazināšanai reformējot piesārņojumu derīgā produktā” (1v. Attēls).

Uzdevumi saistīti ar realizējamiem projektiem:

1.1. Koncepcijas izstrāde katodam elektrokatalītiskai CO₂ reformēšanai par etilēna oksīdu, kur pamatā ir pašu sintezēts nanostrukturēts ogleklis - eksfoliācijas procesā iegūts vairākslāņu grafēns, kurš tiek apaudzēts ar katalizatora Cu metāla mikro/nano  kristāliem un uznests uz gāzu difūzijas elektroda pamatnes.

1.2. Uzlabot anodēta titāna dioksīda nanocaurulīšu kārtiņas fotokatalītiskās īpašības oglekļa dioksīda reducēšanai, funkcionalizējot ar no eksfoliēta vairākslāņu grafēna iegūtām nanodaļiņām (kvantu punktiem).

1.3. Elektrolīzes un fotokatalīzes produktu analīzēm tiek izstrādātas FTIR spektrometriskā un RGA masspektrometriskā analīžu metodika.

2. Tēma. “Jaunu lielas virsmas un nanostrukturētu oglekļa materiālu sintēze no izlietotām riepām un rūpnieciska grafīta atkritumiem (attiecīgi granulas un vairākslāņu grafēns), funkcionalizēšana un raksturošana pielietojumiem jaunos produktos un atjaunojamās enerģijas ieguves un uzglabāšanas tehnoloģijās.”

Tiek risināti trīs ar projektiem saistīti uzdevumi:

2.1. Izstrādāta metode eksfoliēta vairākslāņu grafēna (2v. Attēls) dopēšanai ar slāpekli, iegūtā materiāla raksturošana un pētījumi pielietojumiem gāzu sensoros, elektrodos Li/Na akumulatoros, ūdeņraža un metanola degšūnās, mikroorganismu degšūnās.

2.2. Pētīt ozona iedarbību uz polimēru saišu saraušanu gumijā, pielietojumiem nolietoto riepu pārstrādes tehnoloģijas pilnveidošanā.

2.3. Pārstrādātu riepu gumijas granulu izmantošana vairākslāņu ceļa seguma veidošanai no savstarpēji savienojamiem speciālas konstrukcijas gumijas bruģa elementiem. Elementu dizaina un to savietošanas metodikas priekšrocības, kuras aprakstītas divos patenta pieteikumos, tiks pārbaudītas reāla izmēra prototipam.

3. tēma “Jaunu katoda un anoda materiālu sintēze un pētījumi pielietojumam Li/Na jonu baterijām”. Risināmie uzdevumi:

3.1. Sintezēt un raksturot materiālus LiFePO₄, jauktie Li/Na mangāna fosfāti katodam un grafēna oksīds, Fe₂O₃, TiO₂,  kompozītie materiāli anodam, salīdzinot dažādas sintēzes metodes: elektroforētisko uznešanu, izsmidzināšanas – pirolīzes uzklāšanu (3v. Attēls).

3.2. Pētīt jonu-elektronu parādības un procesus uz cietās vielas virsmas, starpfāžu robežslānī un fāžu tilpumā, kā arī veikt virsmas un tilpuma funkcionalizēšanu, optimizējot uzlādes-izlādes procesu kinētiku.

4. tēma “Jaunu materiālu un tehnoloģiju pētījumi atjaunojamiem energoresursiem un ūdeņraža enerģētikai (4v. Attēls), veicinot Latvijas pāreju uz zema/nulles oglekļa ekonomiku”. Daži no uzdevumiem, pie kuriem tiek strādāts:

4.1. Analizēt esošās dabasgāzes cauruļvadu un uzglabāšanas sistēmas izmantošanas perspektīvas, ņemot vērā iespējamo ūdeņraža ieguves un izmantošanas apjomu palielināšanos, izvērtējot iespēju esošās iekārtas pielāgot daļējai vai pilnīgai ūdeņraža transportēšanai un uzglabāšanai, kā arī prognozējamo tehnoloģisko attīstību ūdeņraža ieguvei no metāna un metāna ieguvei no ūdeņraža.

4.2. Ūdeņradis kā enerģijas nesējs neprognozējamo atjaunojamo energoresursu (vējš, saule) saražotās enerģijas uzkrāšanai;

4.3. Pētīt materiālus un tehnoloģiju optimizēšanas iespējas Saules, okeāna viļņu, vēja, biomasas enerģijas iegūšanai un uzkrāšanai.

Aktīvie projekti:

Apvārsnis Eiropa

GOS izslēgšana no bateriju ražošanas, izmantojot sauso vai mitro apstrādi (NoVOC) (2023-2027)

EEZ un Norvēģijas granti

Alumīnija reciklēšana ūdeņraža iegūšanai - no atkritumiem caur ūdeņraža radītu enerģiju uz alumīnija oksīdu – AliCE-WHy (Aluminum in circle economy - from waste through hydrogen energy to alumina" – AliCE-WHy) (2021-2024)

M-ERA.NET

Inovatīva katalizatora izstrāde un reģenerācija tīra ūdeņraža iegūšanai metāna pirolīzes ceļā (INNOHYPPY) (2023-2026)

LZP granti

Litija jonu akumulatoru elektrodu un šūnu dzīves cikla prognoze, izmantojot strāvas un sprieguma mērījumus (2021-2023)

Realizētie projekti:

Apvārsnis 2020

Etilēna oksīda CO2 – balstīta elektrosintēze - CO2EXIDE (2018-2021)

Optisko, elektrisko un gāzu sensoru īpašību pētījumi oglekļa nanomateriālu saturošiem polimēriem enerģijas ieguvei un atjaunojamās enerģijas uzglabāšanai (2017)

COST starptautiskie projekti

Viedās un zaļās robežvirsmas - no atsevišķiem burbuļiem un pilieniem uz rūpniecības, vides un biomedicīnas pielietojumiem (2012-2016)

Hibrīdās enerģijas uzglabāšanas ierīces un sistēmas mobilajiem un stacionārajiem pielietojumiem (2011-2015)

Nanostrukturēti materiāli cietvielu ūdeņraža uzglabāšanai (2011-2015)

Eiropas Lauksaimniecības fonds lauku attīstībai (ELFLA)

Tehnoloģijas izstrāde graudu kaltēšanai ar aktīvo vēdināšanu, pielietojot ozonu (2018-2021)

ERAF

Jauna tehnoloģija bioūdeņraža ieguvei un atdalīšanai anaerobās fermentācijas procesā (2011-2013)

Jauna tehnoloģija kalcija karbonāta un bioūdeņraža ieguvei biomasas reakcijā ar sārmu (2011-2013)

Vēja un ūdeņraža elektroapgādes autonoma sistēma (2010-2013)

ERAF projekti (LIAA administrētie)

Tiešas darbības ģenerators no ūdens viļņiem ar elektrības uzkrāšanas iespēju (DD-WWG) (2020)

ESF projekti

Inovatīvu funkcionālo materiālu un nanomateriālu izstrāde izmantošanai vidi kontrolējošās tehnoloģijās (2013-2015)

LU CFI Studentu un jauno zinātnieku projekts

Ar grafēna kvantu punktiem leģētu anodisko TiO2 nanocaurulīšu iegūšana un izpēte fotokatalītiskai CO2 reducēšanai (2018-2019)

LZP granti

Nanostrukturēti ar slāpekli dopēti oglekļa materiāli kā enerģijas ieguves un uzglabāšanas tehnoloģiju veicinātāji NN-CARMA (2018-2021)

Nanostrukturēti materiāli videi draudzīgām tehnoloģijām un enerģētikai (2009-2012)

Pēcdoktorantūras pētniecības atbalsts

Moderni materiāli nātrija jonu baterijām (2019-2022)

Sadarbības projekti

Kontrolējamas porainības kompozītmateriālu sintēze un pētījumi plāno slāņu un to sistēmu iegūšanai enerģijas uzkrāšanas un pārveidošanas pielietojumiem (2014-2017)

Taivānas-Latvijas-Lietuvas zinātniskās sadarbības fonda projekti

Materiālu un tehnoloģiju pilnveidošana modernām litija jonu baterijām (2012-2014)

Valsts pētījumu programmas

Latvijas dabasgāzes infrastruktūras attīstības tendences, izaicinājumi un risinājumi - LAGAS (2019-2021)

VPP Materiālzinātnēs un Informācijas tehnoloģijās (2010-2013)

• Pirolīzes izsmidzināšanas procesā iegūti ar dažādiem metāliem leģēti hematīta pārklājumi, kuriem raksturīga augsta fotovadāmība un piemērots aizliegtās zonas platums ūdens fotokatalītiskai sašķelšanai.
• Atrasta vienkārša metode nanostrukturēta vairākslāņu grafēna iegūšanai un modificēšanai ar metāliem / katjoniem pielietojumiem superkondensatora elektrodam un ūdeņraža uzkrāšanai.
• Anodizācijas procesā iegūts pašorientēts titāna dioksīda nanocaurulīšu pārklājums un izpētīta dažādu parametru ietekme uz šī pārklājuma veidošanos pašā sākumā.
• Sadarbībā ar dizaineru izveidots prototips Saules koka veidā, lai demonstrētu Saules enerģijas savākšanas, uzkrāšanas un izmantošanas iespējas pilsētvidē.
• Izpētīta ar pallādiju un platīnu aktivēta dabiskā ceolīta ūdeņraža adsorbcijas/desorbcijas spēja, izmantojot tilpuma un gravimetrisko metodi; atrasts, ka specifiska ceolīta priekšapstrāde ar temperatūras impulsiem inertā atmosfērā padara šo materiālu pielietojamu ūdeņraža uzglabāšanai saistītā veidā (līdz pat 5 svara %).
• Laboratorijā tiek pētītas protonus vadošas membrānas un katalītiskie materiāli kurināmā elementiem un elektrolīzeriem. Sintezēts polimēru kompozīts no elektronus (polianilīns) un protonus (sulfonēts poliēter-ēter-ketons) vadošiem polimēriem, kas var tikt pielietots elektrodu-membrānas sistēmā (MEA) kurināmā elementos. Izmantojot elektroķīmiskās impedances un spektrofotometriskās metodes, pierādīta protonu un elektronu pārneses mehānismu klātbūtne iegūtajam polimēru kompozītam.
• Bio-ūdeņraža iegūšanas jomā atrasts, ka C.sporogenes mikroorganismi veido ūdeņradi tumsas fermentācijas procesā, pārstrādājot dažādus biomasas atkritumus (piena sūkalas, jēlglicerīns biodīzeļa ražotnēs Latvijā) ar iznākumu 1.5 mmol H2/l/h (sasniegtā koncentrācija barotnē 1 stundas laikā). Pētījumi ir parādījuši, ka mikroorganismi no mūsu pašu Latvijas Kolekcijas ir piemērojami gāzveida ūdeņraža iegūšanai no dažādiem organiskiem atkritumiem. Šādi iegūtu ūdeņradi var izmantot elektrības ražošanai gan pārtikas, gan ķīmiskajos uzņēmumos, kur tieši organiskie atkritumi rodas.
• Izveidots prototipa bioreaktors pilotpētījumiem ūdeņraža/metāna ražošanai ar mikroorganismiem tumsas fermentācijas procesā. Barotnes maisīšana un burbuļošana ar inertu gāzi palielina fermentācijas ātrumu. Atrasts, ka arī atsevišķu metālhidrīdu klātbūtne veicina ūdeņraža izdalīšanos.
• Izstrādāta elektroforēzes iekārta un tehnoloģija metālkeramikas pārklājumu iegūšanai saules enerģijas kolektoriem. Homogēnas TiO₂ kārtiņas iegūtas ar sola un suspensijas elektroforēzes metodēm uz metāliskām un šķiedru pamatnēm. Noskaidrots, ka plānās kārtiņas, kristalizējot pie 500°C, galvenokārt sastāv no anatāza formas, kamēr biezākās kārtiņās palielinās rutila formas īpatsvars. TiO₂ kārtiņu foto aktivitāte būtiski mainās atkarībā no aktīvā virsmas laukuma un leģējošām piedevām (Fe₂O₃, WO₃).
• Izstrādāta jauna magnetrona izputināšanas metode litija jonu bateriju augstas lādiņietilpības katodmateriāla LiFePO₄/C plāno kārtiņu iegūšanai. Noteikti katodmateriāla – Li+ jonu elektrolīta – robežvirsmas elektroķīmiskie parametri dažādos katodmateriāla uzlādes-izlādes stāvokļos. Noskaidrots, ka lielākā dubultslāņa kapacitāte un mazākā lādiņa pārneses pretestība ir izlādētā stāvoklī, bet Li⁺ jonu difūzijas koeficienta minimālā vērtība ir līdzsvara stāvoklī. Izstrādāta elektroforēzes metode LiFePO₄ kārtiņu uznešanai uz metāliskas pamatnes. Izveidots modelis, kas apraksta litija jonu ekstrakcijas un injekcijas procesa mehānismu LiFePO₄ plānajās kārtiņās.
• Izstrādāta metodika vairākslāņu reducētā grafēna oksīda (rGO) kārtiņu elektroforētiskai iegūšanai uz metāla pamatnes, kas izmantojamas kā anodmateriāls litija jonu baterijām. Noskaidrots, ka augstu anoda materiāla lādiņietilpību nodrošina slāņainā struktūra un liela elektroda aktīvā virsma. Veikta kompozītu anodmateriālu kārtiņu elektroforētiska uzklāšana uz tērauda pamatnes un iegūts anodmateriāls TiO₂/Fe₂O₃/rGO ar ļoti augstu lādiņietilpību un ciklēšanas stabilitāti.

Latvijā:

• SIA Ambitech Group AG
• SIA Multipla Energy
• SIA Eko Osta
• AS “Sidrabe”
• AS “Rīgas Elektromašīnbūves Rūpnīca”
• VARAM
• IZM
• LZP, LZA
• Latvijas Ūdeņraža Asociācija
• RTU IEEF
• LV FEI
• LV KĶI
• RTU MLĶF NĶI
• LU Ķīmijas Fakultāte
• LU Bioloģijas Fakultāte
• LU Biznesa vadības un ekonomikas Fakultāte
• Rīgas Enerģētikas aģentūra

Lietuva:

• Lithuanian Institute of Energetic, Kaunas
• University of Vilnius - Department of Physics
• Klaipēdas Universitāte, Jūras Pētnieciskais Institūts

Polija:

• Warsaw University

Igaunija:

• Tartu University

Vācija:

• Max-Planck-Institut für Festkörperforschung
• Kassel University
• Institute of Solid State Research, Forschungszentrum Jülich
• Institute of Physics Freiburg University

EU:

• European Hydrogen Association

Taivāna:

• Nacionālās Cheng Kung Universitātes Materiālzinātņu un inženierijas departaments
• Taipejas Vanunga Universitātes Elektro-Optiskās Inženierijas Fakultāte

1. Kleperis, J. Nanostructured Composite Materials for Energy Storage and Conversion: collection of articles = Nanostrukturēti kompozītmateriāli enerģijas uzkrāšanai un pārveidošanai collection of articles LU Akadēmiskais apgāds, (2019), 157 pages, 10.22364/ncmesc     
2. Kucinskis, G., Bajars, G., Bikova, K., Kaprans, K., Kleperis, J., Microstructural Influence on Electrochemical Properties of LiFePO4/C/Reduced Graphene Oxide Composite Cathode, (2019) Russian Journal of Electrochemistry, 55 (6), pp. 517-523. 10.1134/S1023193519060120
3. Vanags, M., Spule, A., Gruškeviča, K., Vihodceva, S., Tamm, A., Vlassov, S., Šutka, A., Sol-gel auto-combustion synthesis of Ca2Fe2O5 brownmillerite nanopowders and thin films for advanced oxidation photoelectrochemical water treatment in visible light (2019) Journal of Environmental Chemical Engineering, 7 (4), art. no. 103224.  10.1016/j.jece.2019.103224
4. K.Kaprans, J.Mateuss, A.Dorondo, G.Bajars, G.Kucinskis, P.Lesnicenoks, J.Kleperis (2018) Electrophoretically deposited α-Fe₂O₃ and TiO₂ composite anchored on rGO with excellent cycle performance as anode for lithium ion batteries. Solid State Ionics, Volume 319, June 2018, Pages 1-6. doi.org/10.1016/j.ssi.2018.01.042 Cited 1 times (March 2019)
5. P. Lesničenoks, L. Grīnberga, L. Jēkabsons, A. Antuzevičš, A. Bērziņa, M. Knite, G. Taurins, S. Varnagiris, J. Kleperis (2017) Nanostructured Carbon Materials for Hydrogen Energetics. Advanced Materials Letters, 8(4), (2017)  518.-523.lpp. ISSN 0976-3961. e-ISSN 0976-397X. DOI:10.5185/amlett.2016.7088 Cited 2 times (March 2019)
6. J. Hodakovska, J. Kleperis (2016) Sulfonated poly(ether-ether-ketone) and Nafion composite membrane with aluminium oxide additive for fuel cell applications. Polymer Science - Series A (2016) 58 (2), pp. 167-171. DOI: 10.1134/S0965545X16020103
7. I. Dimanta, J. Kleperis, I. Nakurte, S. Valucka, V. Nikolajeva, Z. Rutkovska, I. Muiznieks (2016) Metal hydride alloys for storing hydrogen produced by anaerobic bacterial fermentation. International Journal of Hydrogen Energy, 41 (22), pp. 9394-9401. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.04.064. Cited 3 times (March 2019)
8. Martins Vanags, Andris Šutka, Janis Kleperis, Peteris Shipkovs (2015) Comparison of the electrochemical properties of hematite thin films prepared by spray pyrolysis and electrodeposition. Ceramics International, Volume 41, Issue 7, August 2015, Pages 9024–9029. doi:10.1016/j.ceramint.2015.03.272 Cited 8 times (March 2019)
9. P. Lesnicenoks, L. Grinberga, J. Kleperis (2014) Gravimetric and Spectroscopic Studies of Reversible Hydrogen Sorption on Nanoporous Clinoptilolite. Latvian Journal of Physics and Technical Sciences. Volume 51, Issue 3, Pages 35–41, ISSN (Online) 0868-8257, DOI: 10.2478/lpts-2014-0017, July 2014. Cited 1 times (March 2019)
10. G. Kucinskis, G. Bajars, J. Kleperis (2013) Graphene in lithium ion battery cathode materials: A review. Journal Of Power Sources; Volume: 240 Pages: 66-79 dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2013.03.160 Cited 339 times (March 2019)
11. M. Vanags, J. Kleperis and G. Bajars (2012) Water Electrolysis with Inductive Voltage Pulses. Chapter 2 in Book: Electrolysis, Editors Janis Kleperis and Vladimir Linkov, InTech (2012), pp. 19-44, doi.org/10.5772/52453. Cited 12 times (March 2019)
12. Dimants J., Dimanta I., Sloka B., Kleperis J., Kleperis J. Jr (2012) Renewable energy powered campus proposal for the University of Latvia. International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology ISJAEE, No 9 (113) 2012, pp.81-89. Cited 1 times (March 2019)
13. J. Kleperis, G. Wojcik, A. Czerwinski, J. Skowronski, M. Kopczyk, M.  Beltowska-Brzezinska (2001) Review: Electrochemical behavior of metal hydrides, J. Solid State Electrochemistry, vol. 5, (2001), p. 229-249. Cited 330 times (March 2019)

1. Latvijas Patenta pieteikums Nr. P-18-21 (19.03.2018.) Elastīgs divslāņu speciālas formas bruģa elementu ceļa segums no gumijas granulām. Rims Vaitkus, Elmārs Baltiņš, Pēteris Lesničenoks, Vladimirs Ņemcevs, Jānis Kleperis, LU Cietvielu fizikas institūts.

2. Latvijas Patenta pieteikums Nr. P-17-58 (15.09.2017) Rūpnieciski izgatavojams ceļu un laukumu virsmu elastīgs segums un tā veidošanas process. Rims Vaitkus, Elmārs Baltiņš, Vladimirs Ņemcevs, Jānis Kleperis, LU Cietvielu fizikas institūts.

3. Latvijas patents Nr. 14701 (20.10.2013). Kapilāro kanālu izveidošanas paņēmiens. Jānis Kleperis, Jurijs Kuzņecovs, Jānis Baumanis.

4. Latvijas Patents Nr. 14698, 2013. Šķidruma līmeņa līdzsvarošanas sistēma. Jānis Kleperis, Jānis Straumēns.

5. Latvijas patents Nr. LV 14454 A (20.10.2011). Ierīce šķidruma pārveidošanai gāzveida degvielā. Jurijs Kuzņecovs, Mihails Morozs, Vladimirs Striževskis, Jānis Kleperis

6. Latvijas patents Nr. LV13811 (09.10.2009) Līdzstrāvas elektrodzinēja piedziņa ar ūdeņraža degvielas elementu. A.Purviņš, O. Krievs, L. Ribickis, J. Kleperis

7. Latvijas patents Nr. LV 13960, 2009, Jauns paņēmiens sašūto sulfonētu PEEK grupas polimēru sintēzei. 2.       H. Luo, G. Vaivars, J. Kleperis.

8. Latvijas patents LV 13710, 2008. Ar ūdeni darbināma siltuma un elektrības apgādes sistēma. M.Vanags, V.Ņemcevs, J.Kleperis

9. Amerikas Savienoto valstu patents No US 4251138, iesniegts 11/30/1978, publicēts 02/17/1981; Metode cietvielu elektrohroma izveidei. Andrejs Lūsis, Jānis Kļaviņš, Tālivaldis Zamozdiks, Juris Lagzdons, Ojārs Rode, Jānis Pinnis.

Saules Kauss, ar Saules baterijām darbināmu, pašgatavotu modeļu sacensības skolu jauniešiem; gadskārtējs pasākums maija trešajā sestdienā 2008.-2018. https://www.cfi.lu.lv/notikumi/saules-kauss/

Starptautiskā izgudrojumu un inovāciju izstāde MINOX,  oktobra sākums, 2014 - 2018, Rīga; LU CFI stends, kuru organizē laboratorijas zinātnieki un inženieri. http://www.minox.lv/; http://www.izgudrotaji.lv/?s=1237889777&ln=lv

Starptautiska izstāde Vide un Enerģija, katru gadu 3-4 dienas oktobrī, Rīga, Ķīpsala, 2007.-2018.; LU CFI stends, kuru organizē laboratorijas zinātnieki un inženieri. Pēteris Lesničenoks: https://www.youtube.com/watch?v=GwG400m1gAc

Zinātnes Nakts – laboratorijas jaunie zinātnieki (studenti) piedalās katru gadu, agrāk LU CFI, tagad LU FMF. http://www.zinatniekunakts.lv/

Publikācijas populārzinātniskā žurnālā “Enerģija un Pasaule”: http://www.energijaunpasaule.lv/

1. Ūdeņradis ir visur, arī LU Cietvielu fizikas institūtā. J. Kleperis, Enerģija un Pasaule (2016.g. jūnijs - jūlijs, nr. 3 (98)), lpp. 58-61.

2. Ieskats LU CFI Ūdeņraža enerģētikas materiālu laboratorijas 10 darbības gados. J. Kleperis, Enerģija un Pasaule, 2016.g. augusts - septembris, nr. 4 (99), lpp. 52-57.

3. Saules gaismas enerģija  īpašu materiālu klātbūtnē mazina  antropogēno gaisa piesārņojumu. A. Knoks, Enerģija un Pasaule, 2018.g. aprīlis-maijs, Nr. 2(109), lpp. 61-65.