Projekty řešené v aktuálním roce

Hybridní anorganicko-organické kompozity jako prekurzory elektricky vodivých materiálů

SP2026/036

Výzkum v rámci tohoto projektu naváže na výsledky dosažené v projektu předcházejícím (SP2025/029), v němž bylo jedním z cílů studium možnosti získání elektricky vodivých materiálů pyrolýzou vstupních kompozitů připravených suchým smícháním nevodivých organických sloučenin s anorganickou matricí. Jelikož bylo prokázáno, že tato suchá cesta (nevyžadující roztok, ani následnou filtraci a sušení, což snižuje finanční i časovou náročnost procesu) je s klasickou mokrou cestou (tj. přípravou v roztoku s následnou filtrací a sušením) co do strukturních (vznik vícevrstvého grafenu) i vodivostních vlastností výsledných materiálů srovnatelná, bude v tomto projektu suchá cesta použita k ověření možnosti přípravy elektricky vodivých materiálů ze směsí fylosilikátu a tuku pyrolýzou v inertní atmosféře. Tuky v odpadních vodách představují riziko pro životní prostředí (10.1016/j.marpolbul.2015.07.013). Po jejich odstranění z vody je lze využít jako druhotnou surovinu, přičemž však je zájem odborníků soustředěn zejména na výrobu bionafty (10.1021/acs.energyfuels.7b03550) a anaerobní digesci s cílem získat bioplyn (10.1007/s12649-018-00558-w). Tuky bývají též pyrolyzovány, avšak téměř výhradně za účelem získání kapalných a plynných frakcí – opět pro biopaliva (https://doi.org/10.1016/j.wasman.2013.09.019; https://doi.org/10.1007/s11356-020-09041-3). Pyrolýza tuků jakožto uhlíkatých prekurzorů za účelem získání elektricky vodivých materiálů obsahujících grafit/grafen (GRA) dosud nebyla publikována. Ani přehledové články mapující využití odpadních tuků tuto možnost nezmiňují (https://doi.org/10.1016/j.fuel.2022.124539). Nejbližší této myšlence je příprava nanocibulí z kuřecího tuku (https://doi.org/10.1039/9781839167218-00198; https://doi.org/10.1021/acsami.4c02753). Příprava nanocibulí však byla realizována pyrolýzou s olejovým knotem za přítomnosti vzduchu. Pyrolýza v inertní atmosféře, a to nikoliv tuku samotného, ale jeho směsi s anorganickou matricí, tak představuje značné novum, oblast, která dosud nebyla prozkoumána. Za těchto podmínek lze přitom očekávat vznik odlišných uhlíkatých struktur. Potvrdí-li se možnost přípravy elektricky vodivých materiálů obsahujících GRA, budou mít tyto výsledky (kromě publikačního potenciálu) i významný přínos pro udržitelnost, neboť rozšíří škálu druhotného využití odpadních tuků. Výzkum v rámci tohoto projektu naváže na předchozí projekt (SP2025/029) i na poli strukturní kompatibility. V předchozím projektu byla experimentálně potvrzena správnost výpočetní predikce strukturní kompatibility GRA s vysokoteplotními silikátovými fázemi. S ohledem na tento úspěšný výsledek proto bude v tomto projektu výpočetní metoda určování strukturní kompatibility použita k testování jiných než silikátových vysokoteplotních fází (např. Al2O3, ZrO2 apod.). Fáze s vysokou mírou strukturní kompatibility s GRA, identifikované zmíněnou výpočetní metodou, budou použity jako anorganické matrice ve směsích s organickým uhlíkatým prekurzorem za účelem praktického ověření jejich vhodnosti k přípravě materiálů s obsahem GRA. S ohledem na unikátnost tohoto výzkumu - vliv struktury vysokoteplotních fází na vznik GRA in situ během pyrolýzy - lze u výsledků očekávat publikační potenciál. Praktická využitelnost spočívá v možnosti omezit časově a finančně náročné experimenty a nabídnout k praktickému testování pouze ty vysokoteplotní fáze, při jejichž přítomnosti ve směsi s uhlíkatým prekurzorem je vysoká pravděpodobnost úspěšné syntézy GRA. V neposlední řadě naváže výzkum v rámci tohoto projektu na předchozí projekt (SP2025/029) také v oblasti elektricky vodivého polymeru polythiofenu a kompozitů polythiofen/fylosilikát, pro které byla úspěšně nalezena efektivní metoda syntézy (s ohledem na výslednou elektrickou vodivost) a potvrzena jejich vodivostní stabilita. Pro potřeby využití těchto materiálů jakožto senzorů plynů budou zkoumány možnosti jejich nanášení na nosnou matrici (namísto práce s nepraktickou práškovou formou) a vliv nanášení na vodivostní odezvu vůči plynům (např. amoniak). Cílem je vytvoření vodivé komponenty (cely), která je jednoduše vložitelná do a vyjmutelná z měřicí aparatury. Jakožto nosné matrice budou testovány minerální vata a dále 3D tisknuté polymerní nosiče mající tvary zaručující nízkou tlakovou ztrátu. Analýzy chemického složení, struktury a morfologie studovaných materiálů budou prováděny pomocí široké škály metod: Ramanova spektroskopie, rentgenová difrakce, elementární analýza, rentgenové fluorescenční spektroskopie, termogravimetrie, molekulární modelování s využitím silových polí, výpočty strukturní kompatibility a transmisní elektronová mikroskopie s energeticky disperzní rentgenovou spektroskopií. Časový harmonogram řešení projektu: 01/2026 – 06/2026 Optimalizace složení kompozitů tuk/fylosilikát. Pyrolýza připravených kompozitů a analýzy jejich chemického složení, struktury a morfologie. Výpočty strukturní kompatibility GRA a nesilikátových vysokoteplotních fází. 3D tisk polymerních nosičů. Identifikace nosiče vhodného pro depozici práškových materiálů na bázi polythiofenu. Identifikace vhodného způsobu depozice při zachování elektrické vodivosti. Měření elektrické vodivosti. Návrh designu prakticky použitelné cely. 07/2026 – 12/2026 Příprava kompozitů uhlíkatý prekurzor/čistá vysokoteplotní fáze. Pyrolýza kompozitů. Analýzy chemického složení, struktury a morfologie výsledných vzorků včetně měření jejich elektrické vodivosti. Konstrukce prakticky použitelné cely, měření elektrické vodivosti a testy senzorický vlastností. Aktivní účast na mezinárodní konferenci. Připrava VaV výstupů. Rozdělení práce a úkolů mezi členy řešitelského týmu: doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D. – hlavní řešitel – vedoucí disertační práce Jonáše Molka – molekulární modelování – výpočty strukturní kompatibility – administrace projektu – příprava VaV výstupů Ing. Silvie Vallová, Ph.D. – charakterizace materiálů termogravimetrií – příprava VaV výstupů doc. Ing. Michal Ritz, Ph.D. – vedoucí doktorské práce Zuzany Pěgřimočové – charakterizace materiálů Ramanovou a IČ spektroskopií – příprava VaV výstupů Ing. Jonáš Molek – student doktorského studia – molekulární modelování – výpočty strukturní kompatibility – příprava kompozitů uhlíkatý prekurzor/matrice – měření elektrické vodivosti – analýza dat – příprava VaV výstupů Ing. Zuzana Pěgřimočová – studentka doktorského studia – charakterizace materiálů Ramanovou a IČ spektroskopií – příprava VaV výstupů Ing. Sára Leinweberová – studentka doktorského studia – pyrolýza kompozitů – příprava VaV výstupů Bc. Matěj Hořejší – student magisterského studia – příprava polythiofenu a jeho kompozitů – depozice na nosič – měření elektrické vodivosti – testování senzorických vlastností Bc. Jiří Kuběnka – student magisterského studia – návrh prakticky použitelné cely – 3D tisk nosičů – testování senzorických vlastností

2026

2026

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Tokarský Jonáš doc. Ing., Ph.D.