Rahvusvaheline töörühm kaardistas aatomtasandil, milline võiks olla Eesti hästilagunenud turbast valmistatud katalüsaatormaterjali sisestruktuur, et see suudaks kütuseelementides konkureerida kallite väärismetallidega, kirjutavad elektrokeemikud Rutha Jäger Tartu Ülikoolist ja Eneli Härk Helmholtz-Zentrum Berlinist.
Kütuseelemendid on paljulubav tehnoloogia, mis võimaldab muundada vesiniku ja hapniku keemilise energia otse elektrienergiaks. Protsessi suureks eeliseks on selle keskkonnasõbralikkus, sest ainsa jäätmena tekib vett – seda kahjuks ainult ideaalsetes tingimustes. Reaalses elus kulgevad elektrokeemilised protsessid sageli mitmeastmeliselt. Näiteks hapniku reaktsioonil võib tekkida vaheühendina kütuseelemendi komponente kahjustav vesinikperoksiid.
Rahvusvahelise teaduskoostöö raames nägime oma Eesti ja Saksa kolleegidega kurja vaeva, et välja selgitada, milline süsinikmaterjalis olevate pooride kuju, suurus ning omavaheline kaugus annab parima reaktsioonitulemuse. Ülesanne meenutas Rubiku kuubiku kokkupanekut, kus üks liigutus võib viia lahenduseni või ajada kogu pildi sassi. Tegime uuringuid aatomtasandil, kasutades mitmeid tipptasemel uurimis- ja mõõtmismeetodeid.
Meie uurimuse keskmes oli küsimus: kuidas selgitada ühe raud-lämmastik-süsinik katalüsaatori erakordset aktiivsust ja selektiivsust võrreldes teiste materjalidega? Vastus on oluline, sest katalüsaatoril on toimuvate reaktsioonide kiirendamisel kütuseelementides keskne roll.
Teadlastel on ammu teada, et energia salvestamise või muundamise protsesse soodustab süsinike poorne ja käänuline struktuur. Näiteks apteegis müüdaval aktiivsöes on palju eri suurusega poore: väga väikeseid, alla kahe-nanomeetrise läbimõõduga mikropoore kui ka suuri makropoore, mille läbimõõt on üle 50 nanomeetri. Viimased toimivad sageli n-ö transpordikanalitena väiksemate pooride juurde.
Muutes katalüsaatorite alusmaterjaliks oleva süsiniku struktuuri ja modifitseerides selle pooride suurust ning pooride seina paksust, saame luua väga erinevate omadustega materjale. Selleks kasutasime Helmholtz-Zentrum Berlini ning Saksamaa Riikliku Metroloogiainstituudi (PTB) spetsialistidega (anomaalse) väikese nurga hajumise meetodit (ASAXS/SAXS), mis töötab BESSY II kolmanda põlvkonna sünkrotronkiirguse allikal.
Rahvusvahelisel meeskonnal õnnestus iseloomustada katalüsaatoreid detailselt mikropooridest makropoorideni, et mõista silmale nähtamatut nanostruktuuri olemust ja selle tähtsust kütuseelementides.
Rahvusvahelisel meeskonnal õnnestus iseloomustada katalüsaatoreid detailselt mikropooridest makropoorideni. Autor/allikas: Erakogu
Tsiteerides Väikest Printsi “Kõige tähtsaim on silmale nähtamatu”, nii on ka meie raud-lämmastik- süsinik katalüsaatormaterjalidega. Põhjalik analüüs näitas, et katalüsaatori efektiivsus sõltub just mikropoorides olevatest aktiivtsentrite kättesaadavusest ja pooride hierarhilisest struktuurist – eri suurusega pooride kombinatsioonist.
Poorsed katalüsaatormaterjalid meenutavad oma tuhande pisikese tunneli ja käänakuga sipelgapesa, kus iga väike haru määrab reaktsiooni aktiivsuse ja muudab lähteainete (vesiniku ja hapniku) ning saaduste (vee) molekulide transporti materjalis.
Mikrolabürint molekulidele
Põneva leiuna selgus, et pooride seina vähemalt kolme nanomeetri suurune kumerus toimib kui käänak sipelgapesas: need kumerad kanalid suunavad molekulid õigele liikumisteele, suurendades hapniku redutseerumisreaktsiooni aktiivsust, vähendades vesinikperoksiidi teket ja parandades seega kütuseelemendi efektiivsust.
Meie uurimus näitab, kuidas rahvusvaheline koostöö, mis tugineb interdisiplinaarsele teaduspõhisele lähenemisele, aitab leida lahendusi globaalsetele probleemidele ja kujundada soodsat ning puhast energiatulevikku.
Teadsime varasemalt, kuidas taolised materjalid elektrokeemiliselt toimivad, kuid miks üks neist paremini töötab, jäi saladuseks. Nüüd õnnestus lõpuks põhjus-tagajärg seos lahti murda ja näidata, millised struktuurinüansid reaktsiooni tegelikult juhivad.
Väikese nurga hajumise meetod annab meile justkui sipelgapesa plaani, samal ajal kui elektrokeemiline käitumine näitab, kuidas “sipelgad” ehk molekulid seal liiguvad. Kui kanalid ja käänakud on sobiva suuruse ja kujuga, kulgevad liikumine ja hapniku reaktsioon tõhusamalt.
Teekond turbarabast kütuseelemendini on teostatav. Tulemused viitavad, et täpne arusaam sellest, millise sisearhitektuuriga raud-lämmastik-süsinik katalüsaatorid toimivad madalatemperatuursetes kütuseelementides, on leitud. Eesti hästilagunenud turbast valmistatud raud-lämmastik-süsinik katalüsaatorid võivad peagi asendada kallid plaatina sisaldavad materjalid ja muuta puhta energia kõigile kättesaadavamaks.
Uuring ilmus ajakirjas ACS Nano.