Martin Jendrlin doktorirao na prestižnom engleskom Sveučilištu Keele

Prošli je mjesec na Sveučilištu Keele u Velikoj Britaniji doktorsku disertaciju u području anorganske kemije obranio Martin Jendrlin iz Križevaca, na temu “Nanostrukturirani materijali za senzorske primjene” (Nanostructured Materials for Sensor Applications). Pod mentorstvom dr. Vladimira Zholobenka i dr. Aleksandra Radua, Jendrlin je istraživao mogućnosti primjene zeolita, vrste poroznog kamenja, u izradi jeftinih senzora i elektroda u obliku tzv. ionsko-osjetljivih olovaka.

Zeolit je prvi put otkriven 1756. u švedskom rudniku Svappavari, a danas se najviše koristi u deterdžentima za rublje kao sredstvo za omekšavanje tvrde vode te kao katalizator u proizvodnji benzina iz sirove nafte.
– U mojoj disertaciji zeoliti su korišteni kao jednostavni i jeftini senzori za ispušne plinove i kao elektrode koje se mogu nacrtati kao običnom olovkom. Ideja je da u budućnosti možemo koristiti ove senzore, koji se mogu nacrtati kod kuće, za jednostavne analize s multimetrom kao mjernim uređajem, pojašnjava Jendrlin.

Jendrlin je titulu magistra kemije obranio još u rujnu 2017. na Kemijskom odsjeku Prirodoslovno-matematičkog fakulteta Sveučilišta u Zagrebu s temom “Karbonohidrazidi, tiokarbonohidrazidi i njihovi kompleksni spojevi molibdena(VI)” pod mentorstvom prof. dr. sc. Mirte Rubčić i neposrednim voditeljstvom dr. sc. Jane Pisk. Ovaj 28-godišnji Križevčanin u rodnom je gradu završio i Osnovnu školu “Vladimir Nazor” i Gimnaziju Ivana Zakmardija Dijankovečkoga, a polazio je i Glazbenu školu Alberta Štrige gdje je svirao harmoniku. Nositelj je crnog pojasa 1. Dan u taekwondou.

Na doktorski studij u Stoke-on-Trent, grad i pristanište na rijeci Trent u srednjoj Engleskoj, stigao je u prosincu 2017. godine, a tamo planira ostati do ljeta kao znanstveni suradnik, nakon čega su mu opcije ili nastaviti na poslijedoktorskom angažmanu ili prihvatiti posao u industriji.

Sažetak disertacije: U radu je prikazana uporaba zeolita kao senzora za plinove temeljenih na infracrvenoj spektroskopiji i kao potenciometrijskih senzora u zeolitom-modificiranim elektrodama.

Komercijalno dostupni zeoliti NaX, NaY, MOR, FER, BEA-12, BEA-19 i ZSM-5, te zeolit Sn-BEA, koji je sintetiziran u laboratoriju, modificirani su sa otopinama CuSO₄, Cu(NO₃)₂ i Cu(CH₃COO)₂ kako bi se dobili CO senzori prikladni za rad na sobnoj temperaturi. Bakar (I) stvara stabilne komplekse s CO na sobnoj temperature, koji se mogu promatrati IR spektroskopijom. U preliminarnom radu, zeolit MOR impregniran s Cu(NO₃)₂ pokazao je najveći odgovor na 1 mbar CO u vakuumu, te na ~10 ppm do 5000 ppm CO u uvjetima protoka argona. Nakon daljnjeg testiranja, vlažnost zraka predstavljala je značajan problem performansama senzora. Stoga je pripremljen hidrofobni zeolit Sn-BEA. Cu(NO₃)₂ – impregnirani Sn-BEA pokazao je otpornost na smetnje vlažnom okruženju (~1500 ppm H₂O) uz potpuno zadržavanje senzorskih svojstava.

Hidrofobni Sn-BEA i dealuminirani BEA zeolit pripremljeni su iz komercijalnog prekursora BEA-19, kako bi se dobio senzor za ispušne plinove baziran na infracrvenoj spektroskopiji. Zbog sinteze potpomognute fluorom, Sn-BEA ima visoku hidrofobnost i strukturu gotovo bez defekata. Oba materijala su podvrgnuta CO, CO₂, NO i NO₂ u protoku argona koji sadrži 100 ppm H₂O. Dealuminirani BEA zeolit pokazao je odgovor na CO₂ i NO₂, dok je Sn-BEA pokazao selektivni odgovor samo na NO₂. Također, Sn-BEA je pokazao dvije vrste detekcijskih mehanizama, koji se mogu koristiti za određivanje i trenutne i kumulativne koncentracije NO₂.

U drugom dijelu disertacije utemeljen je novi koncept zeolitom-modificiranih elektroda pod nazivom “Ionsko-osjetljiva olovka”. Zeolit i grafit spojeni su u jednoličnu smjesu (omjer 40:60%) i prešani hidrauličnom prešom (4 tone) kako bi se formirao disk koji je potom korišten za crtanje elektroda. Zeoliti iz tri prirodna ležišta i 11 komercijalnih zeolita (NaX, KX, NaY, KY, NaA, KA, BEA-12, BEA-19, ZSM-5, MOR, FER, LTL) korišteni su za detekciju 9 kationa (Na⁺ , K⁺, NH₄⁺, Ca²⁺, Mg²⁺, Mn²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺). Većina senzora pokazala je gotovo Nernstove odgovore na alkalijske i zemnoalkalijske katione, dok su odzivi na katione prijelaznih metala bili relativno niski. Zeoliti su pokazali lošiju selektivnost i osjetljivost u usporedbi s klasičnim ionsko-selektivnim elektrodama, ali je njihova proizvodnja jednostavnija i jeftinija. Stoga su elektrode koje sadrže zeolit korištene u multisenzorskom nizu za određivanje sadržaja Mg²⁺ u modelnoj otopini biljnog gnojiva (Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Mg²⁺). Odnos između odgovora određen je metodom parcijalnih najmanjih kvadrata. R² koeficijent u unakrsnoj provjeri bio je 0,83, a srednja kvadratna pogreška unakrsne provjere bila je 0,34 log[Mg²⁺].

Odnos strukturalnih karakeristika i odziva elektroda nacrtanih olovkama osjetljivim na ione određen je pomoću kemometrije. Metoda “analiza glavnih komponenti” korištena je za vizualizaciju varijacija odabranih svojstava zeolita (Si/Al; Al/(Si+Al); Veličina pora (Å); Najveći kanal, MR; Mreža kanala; kationi prisutnih u strukturi (Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Ca²⁺, Mg²⁺ ili Fe³⁺); Veličina kristalita (XRD); Veličina čestica (SEM-TEM); Intenzitet SiOH). Parcijalna regresija najmanjih kvadrata korištena je za povezivanje svojstava zeolita s odgovorima senzora na Na⁺, K⁺, NH₄⁺, Ca²⁺ i Mg²⁺. Veličina pora, najveći kanal i omjer Si/Al u zeolitu najviše utječu na performanse senzora. Dodatno, utvrđeno je da prisutnost K⁺ i Na⁺ kao kationa prisutnih u strukturi utječe na osjetljivost na Ca²⁺.