Ķīmijas tehnoloģiju laboratorija

Ķīmijas tehnoloģiju laboratorija ​​​​​​​

1.Jonus vadošu polimēru materiālu un membrānu sintēze un raksturošana.

Hlorsulfonētu poliēterēterketona membrānu ar dažādu sulfonēšanas pakāpi sintēze un sulfonēšanas pakāpes ietekme uz polimēra membrānu fizikālajām īpašībām un kompozītu veidošanos, kā arī kinētikas pētījumi (1. att.). Kompozīti ar cirkonija oksīda nanodaļiņām, jonu šķidrumiem un oglekļa dispersijām. Membrānu tālāka testēšana alternatīvās enerģētikas un cietvielu jonikas ierīcēs (degšūnas, baterijas, ķīmiskie reaktori, piemēram CO2 reducēšanas reaktoros).

Jonu vadītspējas mērīšanas metodika (impedances metode) (2.att.). Protonu vadītspējas īpatnības.

Koloīdķīmijas metodes  -daļiņu virsmas pētījumi polimēru membrānu izgatavošanas procesā no nanodispersijām. Dzeta potenciāla mērījumi daļiņu un membrānu virsmām. Polimēru materiālu reoloģiskās īpašības (stiklošanās temperatūra).

2. Luminiscentu augšup-konvertējošu nanomateriālu problēmu risināšana: stabilitāte, modificēšanas iespējas un (bio) funkcionalizēšana.

Daudzfunkcionālu augšup-konvertējošu nanomateriālu dizains un izgatavošana, kā arī apvalkserdes hibrīdstruktūras ar uzlabotām īpašībām. Sintēzes metožu attīstīšana; struktūras, morfoloģijas un optisko īpašību raksturošana. Dopētu fosfātu, vanadātu un fluorīdu pielietošana spīddiodēs, attēlveidošanas iekārtās, vēža diagnostikai, zāļu ievadei un temperatūras sensoros.

 Oksīdu (SrAlO₄) pārklājumu uz metālu virsmas apstrāde ar Plazmas elektrolītiskās oksidēšanas metodi optisko un citu īpašību modificēšanai. Augšup-konvertējošu nanomateriālu pārklāšana ar polimēriem un neorganiskiem slāņiem (piemēram, SiO₂) nolūkā palielināt daļiņu stabilitāti šķīdumos, mainīt virsmas higroskopiskumu, novērst daļiņu izšķīšanu, tādejādi samazinot materiāla izmaksas un palielinot pielietošanas efektivitāti, kā arī to biosavietojamību, funkcionalitāti un aizsargfunkcijas.

Projekta ietvaros ir paredzēts arī izmantot ķīmisko līdzizgulsnēšanu un mikroviļņu  hidrotermālo metodi, lai pielietotu temperatūras sensoros un saules enerģijas elementos.

3. Membrānas cietvielu jonikas ierīcēm.

Litija bateriju attīstība ir izmainījusi tādas nozares kā elektriskais transports un elektriskā tīkla stabilizēšana.  Jaunās tehnoloģijas ierobežo pieejamie litija un kobalta resursi.  Pretēji litijam, nātrija resursi ir praktiski neierobežoti. Tāpēc ir atjaunojusies interese par nātrija jonu baterijām.  Svarīga to komponente ir nātrija jonus vadošs elektrolīts. Līdz šim izmantotā šķidrā elektrolīta vietā tehnoloģiskāk būtu izmantot  cieto elektrolītu nākošās paaudzes baterijām -  nātrija polimēru akumulatoriem.   Laboratorijā sintezē jaunus elektrolītus nātrija polimēru akumulatoriem, kuru pamatā ir membrāna - polimēru kompozīts ar jonu šķidrumiem. Kompozīta priekšrocības ir iespēja apvienot vienā materiālā cieta un šķidra materiāla īpašības. Jaunu jonu šķidrumu sintēze tiek veikta sadarbībā ar LU Ķīmijas fakultati (Prof. A. Zicmanis). Ir paredzēts jaunās membrānas izmantot, lai izgatavotu nātrija polimēru akumulatora prototipu.

4. Ķīmiskās metodes dažādu materiālu (metālu, oksīdu, sāļu, u.c.) plāno kārtiņu iegūšanai uz dažādu materiālu pamatnēm (stikls, u.c.).

Aktīvie projekti:

LZP granti

Inovatīvi polimēru un jonu šķidrumu kompozīti nātrija polimēru akumulatoriem (2021-2023)

Realizētie projekti:

Apvārsnis 2020

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

Pēcdoktorantūras pētniecības atbalsts

Jauni nanoizmēru oksīdu materiāli ar upconversion luminiscenci (2017-2020)

Šobrīd laboratorija tiek iekārtota un notiek jauno iekārtu apgūšana.

1. LitesizerTM 500 (Anton Paar). Iekārta ir paredzēta daļiņu izmēra sadalījuma un to virsmas dzeta potenciāla noteikšanai. Nanotehnoloģijās bieži kā izejmateriālu izmanto atbilstošā materiāla koloīdas dispersijas, jo tajās daļiņu izmērs jau atbilst vēlamajm gala produktam. Litesizer ļauj raksturot šo daļiņu izmēra sadalījumu. Dzeta potenciāls parasti tiek izmantots dispersiju stabilitātes raksturošanai.  Ja gala produkts ir kārtiņas un to izgatavošanai izmanto elektriskās metodes (piemēram, elektroforēzi), tad dzeta potenciāls raksturos arī  procesa efektivitāti, kā arī virsmas potenciāla zīmi (daļiņas ir lādētas pozitīvi vai negatīvi).  Daļiņu izmēri var būt no 0,3nm līdz 10 mikrometriem (dzeta potenciālu mēra lielākām daļiņam – diapazonā no 3,8  nm līdz 100 mikrometriem.  Mērīšanas metodikas pamatā ir lāzera staru izkliede un to var izmērīt 15, 90 un 175 grādu leņķī.
   Papildbloki ļauj precīzi izmērīt viskozitāti, gaismas laušanas koeficientu un vides blīvumu. Tie ir parametri, kurus izmanto daļiņu izmēra sadalījuma un to virsmas dzeta potenciāla aprēķinam. Vēl iekārtu papildina SurPassTM 3 bloks virsmu potenciāla mērījumiem. Tā kā institūta specifika ir cietvielu  fizika- plānās kārtiņas, membrānas, tad virsmas potenciāla mērījumi ir laba metode virsmas stāvokļa izvērtēšanai, ja tiek izmantotas dažādas metodes to iegūšanai. Automātiskais dozators ļauj noteikt parauga parametrus pie dažādām pH vērtībām. Pēc noklusējuma šādi mērījumi ir veicami ūdens šķīdumos, jo  neūdens vidēs pH jēdziens nav skaidri definēts. Programmatūra ļauj vairumu funkciju veikt automātiskajā režīmā (ieskaitot šūnas tīrīšanu, kuru kontrolē mērot vadītspēju).
2. Rigaku MiniFlex 600. Rentgendifraktometrs. Ķīmijas laboratoriju iekārtojums paredz, ka izgatavotie paraugi var tikt operatīvi pārbaudīti neizejot no laboratorijas. Galda rentgendifraktometrs ļauj ātri pārbaudīt vai objekta rentgenspektrs atbilst datu bāzē dotajam. Ir iespējama arī vienkāršota fāžu analīze.  MiniFlex ir pārbaudīts daudzās pasaules universitātēs un par tā priekšrocību ir atzīta tā augstā darba drošība, kas ir īpaši būtiski, ja ar rentgenstarojumu strādā studenti, kuri vēl nav metodes profesionāļi.
3. Materiālu izpētē neaizvietojama ir termiskās analīzes iekārta. Tā ļauj analizēt materiālu sastāvu un temperatūras stabilitāti, kā arī identificēt dažādus siltumefektus-fāžu pārejas, kušanas, sadalīšanās un stiklošanās temperatūras. SETARAM diferenciālās kalorimetrijas - termiskās gravimetrijas sistēma (LABSYS evo STA) ir pielāgota institūta specifikai. Augsttemperatūras bloks nodrošina mērījumus līdz 1600oC. Augstas precizitātes svari nodrošina izšķirtspēju 0,02 µg diapazonā līdz ±100 mg.  Lielākiem paraugiem izšķirtspēja ir 0,2 µg.
   Siltumefektu konstatēšanai ir paredzēti divi sensori - pirmais sensors no istabas temperatūras līdz +800 °C ar izšķirtspēju 0,5 µW un  otrais sensors līdz +1600 °C ar izšķirtspēju 10 µW. Tas ir piemēroti darbam ar nanomateriāliem un plānajām kārtiņām (ierobežots pieejamā analizējamā materiāla daudzums). Augstās temperatūras būs nepieciešamas keramiku un stiklu analīzei. Zemtemperatūras diferenciālās kalorimetrijas bloks ir piemērots stiklošanās temperatūru noteikšanai polimēros, kas būs noderīgi aktuālo 3D tehnoloģiju attīstībai. Iekārtas ir apgādātas ar autonomu dzesēšanas sistēmu, kas nodrošina to neatkarīgu darbināšanu, kā arī ievērojami paaugstina drošību. Moderna programmatūra ļauj veikt efektīvu datu apstrādi un aprēķināt arī  tādus parametrus kā polimēru molekulmasa, siltumietilpība, u.c.

Latvijā:

• Latvijas universitātes Ķīmijas fakultāte;
• Rīgas Tehniskā universitāte;

Dienvidāfrika:

• Stellenbošas universitāte;
• Keiptaunas universitāte.

Zviedrija

• Gēteborgas universitāte, Fizikas fakultāte;
• Upsalas universitāte.

1. D.Fedorenko and G.Vaivars (2019) Different approaches in sulfonated poly (ether ether ketone) conductivity measurements. IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 503 012030. https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/503/1/012030
2. Andris Zicmanis, Sindija Briča, Guntars Vaivars, Einārs Sprūģis, Juris Singatulovs. Ionic liquids and their modification with lithium salts - synthesis and studies = Jonu šķidrumi un to modificēšana ar litija sāļiem - sintēze un pētījumi. Grām: Nanostructured composite materials for energy storage and conversion Rīga : LU Akadēmiskais apgāds, 2019 P.54-68. DOI: doi.org/10.22364/ncmesc.03 , URL: http://dspace.lu.lv/dspace/handle/7/46630 ISBN 9789934184116.
3. G,Vaivars, K.Krūkle-Bērziņa, M.Markus. Modelling IR Spectra of Sulfonated Polyether Ether Ketone (SPEEK) Membranes for Fuel Cells//Key Engineering Materials Vol. 850 (2020) 138-143. DOI: https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.850.138
4. D.Fedorenko, G.Vaivars. Composite Membranes of Sulfonated Poly(ether ether ketone) with Active Carbon: Composite Preparation and Investigation of their Properties for Potential Application for CO2 Electrochemical Reduction. Materials Science – Medziagotyra Vol. 26 No. 4, 2020 (December). P. 444-450.  ISSN 1392 – 1320. DOI: 10.5755/j01.ms.26.4.24000
5. K. Veldre, E. Sala, E. Āboltiņa and G. Vaivars. Hydration Behaviour of Sufonated Polyetheretherketone (SPEEK) Membranes. P.80-85. In: Fuel cells. Eds. Prof. Yanhai Du and Dr. Stanislav Kolisnychenko. Vol. 12. Scientific.net. Trans Tech Publications. 2020. 556 p. ISBN 13: 978-3-0357-1548-4
6. A. Trubača-Boginska, R. Ādiņa, G. Vaivars and J. Švirksts. A Study on Acidification and Intercalation of Illite Clay Minerals and their Potential Use as a Filler in SPEEK Composite Membranes. P.86-91. In: Fuel cells. Eds. Prof. Yanhai Du and Dr. Stanislav Kolisnychenko. Vol. 12. Scientific.net. Trans Tech Publications. 2020. 556 p. ISBN 13: 978-3-0357-1548-4
7. M. P. Sukhyi, V. I. Tomilo, K. M. Sukhyi, E. A. Belyanovskaya, G. Vaivars. Organo-montmorillonite modified by polyionenes for polymer composites// Chemistry, Technology and Application of Substances 3 (2) (2020) 187-190. DOI: https://doi.org/10.23939/ctas2020.02.187.
8. Reinis Kaparkalējs, E. Sprūģis, G.Vaivars. A study of osmosis rate through several proton conducting polymer composite membranes// Materials Science (2021) Vol. 27 No. 4 (2021) 466-469. DOI: 10.5755/j02.ms.27892. https://doi.org/10.5755/j02.ms.27892
9. Oksana Petrichenko, Aiva Plotniece, Karlis Pajuste, Martins Rucins, Pavels Dimitrijevs, Arkadij Sobolev, Einars Sprugis and Andrejs Cēbers. Evaluation of Physicochemical Properties of Amphiphilic 1,4-Dihydropyridines and Preparation of Magnetoliposomes//Nanomaterials (2021) 11(3), 593 (Laboratory of Chemical Technologies, Institute of Solid State Physics, University of Latvia, 8 Kengaraga Str., LV-1063 Riga, Latvia) https://doi.org/10.3390/nano11030593. IF 4.324 (Q1). SNIP 1.112. f: nanomaterials-11-00593.
10. Andris Berzins, Hugo Grube, Einars Sprugis, Guntars Vaivars and Ilja Fescenko. Impact of helium ion implantation dose and annealing on dense near-surface layers of NV centers//Nanomaterials (2022) 2022 Jun 29;12(13):2234. doi: 10.3390/nano12132234. IF=5.7.
11. E.Pajuste, I.Reinolds, G.Vaivars, A.Antuzevičs, L.Avotiņa, E.Sprūģis, R.Mikko, K.Heikki, R.M.Meri, R.Kaparkalējs. Evaluation of radiation stability of electron beam irradiated Nafion® and sulfonated poly(ether ether ketone) membranes//Polymer Degradation and Stability 200 (2022) 109970. SNIP 1.593. IF 5,204. Q1. Doi: https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2022.109970.

1. patents; Elektrohromā ierīce sastāvoša no katoda/anoda materiālu tandēma slāņiem.

2. patents; Sešu slāņu elektrohromā ierīce.

3. patents. Šķērsaistīta protonvadoša membrāna un metode tās iegūšanai.

Maģistratūras studentu  (ķīmija) vizītes studiju kursu Virsmas un koloīdķīmija (Ķīmi5052) un Cietvielu jonika (Ķīmi6005)  ietvaros.

Latvijas skolnieku Ķīmijas olimpiāžu uzvarētāju iepazīstināšana ar Institūtu.