Jedan od najvažnijih ciljeva suvremene znanosti o materijalima razvoj je efikasnih katalitičkih i fotokatalitičkih materijala za primjenu u zaštiti okoliša i obnovljivim izvorima energije. Intenzivno se istražuju i kreiraju novi fotokatalitički materijali koji bi omogućili efikasnu razgradnju organskih zagađivala uz pomoć sunčeve svjetlosti. Također, velik se napor ulaže u razvoj fotokatalitičkih i elektrokatalitičkih materijala koji bi se koristili za fotoelektrokemijsku proizvodnju vodika razdvajanjem molekula vode pomoću sunčeve svjetlosti, što je istovremeno i obnovljiv i čist izvor energije. Poželjno je da su katalizatori koji se koriste za navedene reakcije građeni od kemijskih elemenata koji nisu jako skupi s obilnim zalihama u prirodi (za razliku od platinskih metala koji su odlični katalizatori, ali su vrlo skupi s ograničenim zalihama), koji su stabilni u uvjetima katalitičke reakcije te da nisu štetni za okoliš. Zbog svoje stabilnosti, netoksičnosti, niske cijene, obilnih rezervi u prirodi i energijskog procijepa (band gap) od oko 2,1 eV (što omogućava apsorpciju velikog dijela sunčeve svjetlosti), željezov oksid hematit (α-Fe2O3) pogodan je materijal za primjenu u fotokatalitičkoj razgradnji organskih zagađivala i fotoelektrokemijskom razdvajanju vode pomoću sunčeve svjetlosti. Međutim, kratko vrijeme života i slaba mobilnost foto-generiranih nosioca naboja (elektroni i šupljine) jako ograničavaju njegovu fotokatalitičku aktivnost. Korištenjem izduženih (1D) nanočestica hematita povećava se mobilnost foto-generiranih nosioca naboja, smanjuje brzina njihove rekombinacije i smanjuje njihova prosječna udaljenost od površine na kojoj se događa reakcija što povećava fotokatalitičku aktivnost. Dopiranjem hematita dvovalentnim i četverovalentnim kationima metala također je moguće povećati mobilnost nosioca naboja i tako poboljšati njegova fotokatalitička svojstva. Budući da su ugljikovi nanomaterijali odlični vodiči naboja i akceptori elektrona, njihovi kompoziti s nanočesticama metalnih oksida imaju poboljšan transport i smanjenu rekombinaciju nosioca naboja što utječe na poboljšanje fotokatalitičkih svojstava. Nanostrukturni miješani hidroksidi i oksidi nikla i željeza (Ni(OH)2 i NiO dopirani s Fe, NiFe2O4) pokazali su izvrsna svojstva kao elektrodni materijali za reakciju razvijanja kisika (oxygen evolution reaction, OER) koja je ključna za efikasnu proizvodnju vodika razdvajanjem molekula vode. Međutim, zbog slabe vodljivosti ovih materijala kod izrade elektroda nužno je njihovo miješanje s vodljivim materijalima. Ugljikovi nanomaterijali su odlični vodiči naboja te bi njihovi kompoziti s nanočesticama metalnih hidroksida i oksida trebali imati poboljšana elektrokatalitička svojstva. U sklopu ovog projekta bit će sintetizirani novi napredni kompozitni materijali koji se sastoje od nanočestica metalnih oksida (1D nanočestice α-Fe2O3 dopiranog odabranim metalnim kationima, nanočestice miješanih Ni-Fe hidroksida i oksida) i različitih ugljikovih nanomaterijala (grafen, grafenov oksid, ugljikove nanocijevi, višezidne nanocijevi i nanotrake, itd.). Kompoziti nanočestica metalnih oksida i ugljikovih nanomaterijala sintetizirat će se na dva načina: a) hidrotermalnom obradom suspenzije ugljikovih nanomaterijala u vodenoj otopini soli metala i b) hidrotermalnom obradom suspenzije nanočestica metalnih oksida i ugljikovih nanomaterijala. Dobiveni kompoziti karakterizirat će se pomoću nekoliko instrumentalnih tehnika (XRPD - kristalna struktura i veličina kristalita, FE-SEM - veličina i oblik čestica, Mössbauerova spektroskopija - fazni sastav, lokalna struktura i oksidacijsko stanje atoma Fe, SQUID magnetometar - magnetska svojstva, UV-Vis-NIR spektroskopija - apsorpcija UV, vidljivog i bliskog IR, FT-IR spektroskopija - apsorpcija srednjeg i dalekog IR zračenja, TGA - termička svojstva). Fotokatalitička svojstva odredit će se ispitivanjem razgradnje modelnih organskih zagađivala (reaktivne boje i različiti pesticidi). Optimizirat će se različiti parametri u cilju dobivanja jeftine, efikasne i ekološki prihvatljive procedure. Elektrokatalitička svojstva odredit će se korištenjem najsuvremenijih elektrokemijskih metoda (ciklička voltametrija, elektrokemijska impedancijska spektroskopija, potenciostatska i galvanostatska polarizacija). Dobiveni rezultati bit će uspoređeni s rezultatima iz literature. Cilj je ovog projekta prirediti ekološki prihvatljiv i stabilan kompozitni materijal nanočestica metalnih oksida i ugljikovih nanomaterijala s poboljšanim fotokatalitičkim ili elektrokatalitičkim svojstvima. Istražit će se utjecaj vrste i udjela metalnog kationa (Ni2+, Cu2+, Co2+, Mn2+, Zn2+, itd.) ugrađenog u 1D nanočestice hematita te vrste ugljikovog nanomaterijala na fotokatalitička svojstva njihovih kompozita. Također će se istražiti utjecaj udjela Ni i Fe, kristalne strukture i veličine čestica miješanih Ni-Fe hidroksida i oksida, te vrste ugljikovog nanomaterijala na elektrokatalitička svojstva njihovih kompozita. Očekuje se da će kompozitni materijali pokazati bolja fotokatalitička i elektrokatalitička svojstva od samih nanočestica metalnih oksida zbog bolje mobilnosti nosioca naboja i smanjenja njihove rekombinacije. Osim toga, ovim projektom nastoji se održati, intenzivirati i proširiti postojeću suradnju između istraživačkih grupa iz Instituta Ruđer Bošković (IRB) i Instituta za nuklearne nauke "Vinča". Istraživačke grupe iz IRB i Instituta "Vinča" surađuju već nekoliko godina u istraživanjima svojstava nanočestica metalnih oksida što je rezultiralo objavljivanjem nekoliko zajedničkih publikacija (Ceram Int. 39 (2013) 6681, J. Phys. Chem. C 116 (2012) 4356, J. Alloys Compd. 634 (2015) 130, J. Alloys Compd. 750 (2018) 687). Predloženi projekt uklapa se u najnovije smjerove istraživanja u znanosti o materijalima te se može očekivati nastavak suradnje dviju istraživačkih grupa u sklopu regionalnih ili EU H2020 projekata.