Rakenduselektrokeemia õppetool

Rakenduselektrokeemia on keemial, füüsikal ja materjaliteadusel tuginev interdistsiplinaarne eriala, mis tegeleb elektrokeemiliste nähtuste ja protsesside praktilise rakendamisega tehnoloogias ja tööstuses. See hõlmab elektroodimaterjalide ja elektrolüütide arendamist, elektrokeemiliste reaktsioonide uurimist ja optimeerimist ning nende kasutamist energia muundamise ja salvestamise süsteemides, elektrokeemilises analüüsis, korrosioonikaitses, materjalide pinnatöötluses ja elektrosünteesis. Rakenduselektrokeemia ühendab fundamentaalse elektrokeemia teadmised insenerilahenduste ja reaalsete rakendustega.

Image

Elektroodimaterjalide süntees, modifitseerimine ja karakteriseerimine superkondensaatoritele, akudele ja teistele energiasalvestussüsteemidele

PhD Maarja Paalo, PhD Thomas Thomberg, PhD Alar Jänes

Image

Süsinikmaterjalide sünteesiga erinevatel meetoditel, erinevatest lähteainetest erinevakas rakendusteks (superkondensaatorid, akud, gaaside salvestamine/eraldamine) on tegeldud rakenduselektrokeemia õppetoolis üle 30 aasta. Erineva poorsuse (mikro- ja mesopoorsus, eripind jne) ja struktuuriga (amorfne, grafiitne jne) süsinikmaterjalide valmistamise eesmärgil on kasutatud ja uuritud nii karbiidide halogeenimist, erinevate karbohüdraatide (glükoos, sahharoos jne) hüdrotermilist karboniseerimist, kõrgtemperatuurset pürolüüsi ning nii süsinikurikka materjali (hästilagunenud Eesti turvas, korvipuru jäägid, ligniin, põhk, vanad rehvid jne) kui ka süsinikmaterjali aktiveerimist erinevate reagentidega (KOH, NaOH, ZnCl₂, H₂O, CO₂ jne), et need oleks sobilikud eelpoolnimetatud erinevateks rakendusteks.

Akude katoodimaterjalide sünteesi ja uurimisega on rakenduselektrokeemia õppetoolis tegeldud alates 2018. aastast (Alar Jänes, Ronald Väli), keskendudes erinevate üleminekumetallioksiidide, polüanioonsete ühendite ja Preisi sinise analoogide arendamisele liitium- ja naatriumioonakude jaoks. Kasutades erinevaid sünteesimeetodeid (tahkefaasi süntees, sol-gel, hüdrotermiline süntees jm), on uuritud katoodimaterjalide struktuuri–omaduste seoseid ning nende elektrokeemilise jõudluse parandamise võimalusi.

Viimaste aastate olulisemad publikatsioonid (viimased 10 aastat):

PhD Alar Jänes, PhD Meelis Härmas, PhD Maarja Paalo

Image

Rakenduselektrokeemia õppetoolis viiakse läbi laiaulatuslikke fundamentaalseid ja rakenduslikke uuringuid Li-, Na-, K- ja Zn-ioonakude arendamiseks, eesmärgiga luua tõhusamaid, ohutumaid ja kestlikumaid energiasalvestuslahendusi. Teadustöö keskendub uute elektroodimaterjalide ja elektrolüütide väljatöötamisele ning nende struktuursete ja elektrokeemiliste omaduste põhjalikule mõistmisele. Uuringutes kasutatakse kaasaegseid elektrokeemilisi karakteriseerimismeetodeid, sealhulgas tsüklilist voltamperomeetriat, galvanostaatilist laadimis-tühjendamist, elektrokeemilist impedantsspektroskoopiat ning in situ ja operando meetodeid, mis võimaldavad jälgida akudes toimuvaid protsesse nende töö ajal. Olulisel kohal on eelkõige naatrium- ja tsinkioonakud kui kuluefektiivsed ja keskkonnasäästlikud alternatiivid liitiumioonakudele. Uuritakse ioonide sadenemise ja lahustumise mehhanisme, materjalide tsüklilist stabiilsust ning töökindlust pikaajalisel kasutamisel. Teadustöö selles valdkonnas ühendab fundamentaalne elektrokeemia, materjaliteaduse ja inseneriteaduse, panustades nii rahvusvahelisse tipptasemel teadusesse kui ka praktiliste ja kestlike energiasalvestustehnoloogiate arendamisse.

Olulisemad publikatsioonid:

Kõrge võimsus- ja energiatihedusega superkondensaatorite arendamine

PhD Alar Jänes, PhD Thomas Thomberg, PhD Maarja Paalo, PhD Meelis Härmas

Süsinikmaterjalide uurimine nii vesi- kui ka mittevesilahustes algas Tartu Ülikooli keemia instituudis 1991. aastal. Erilise hoo sai superkondensaatoreite uurimine sisse 1997. aastal, mil Tartu Tehnoloogiad OÜ kutsus TÜ elektrokeemikud arendama mittevesilahusel töötavaid superkondensaatoreid. Elektrokeemikud Alar Jänes, Gunnar Nurk, Priit Möller jt. töötasid intensiivselt Tartu Tehnoloogiad OÜ-s kuni 2005. aastani, kuigi episoodilised sidemed on toiminud ka hiljem. Nüüdseks on uuritud nii binaarsetest ja ternaarsetest karbiididest, aga ka aegunud glükoosilahustest, suhkrust ja Eesti hästilagunenud turbast toodetud poorsete süsinike kasutusvõimalusi kõrge energia- ja võimsustihedusega superkondensaatorites. On tõestatud, et kõrgeid võimsustihedusi on võimalik saada erinevates atsetonitriili ja ternaarsetes orgaaniliste karbonaatides ja nende segudes (propüleenkarbonaat, etüülmetüülkarbonaat, etüleenkarbonaat jne). Ioonsetel vedelikel baseeruvaid superkondensaatoreid asuti uurima 2008. aastal ja leiti, et ioonsete vedelike kasutamine elektrolüütidena tõstab küll energiatihedust, kuid vähendab mõnevõrra võimsustihedust. Kõige kõrgemaid võimsustihedusi on võimalik saavutada põhiliselt mesopoorsete süsinikelektroodidega superkondensaatorites, mida on elektrokeemiliselt kontrollitud faradireakstioonide tingimustes polariseeritud, et lahustada süsiniku pinnalt maha aktiivsed pinnaosad.

Olulisemad publikatsioonid:

Hübriidkondensaatorite arendustöö

PhD Alar Jänes, PhD Jaanus Eskusson

Hübriidkondensaatorid on süsteemid elektrienergia salvestamiseks, kus ühel elektroodil toimub traditsiooniline ioonide füüsikaline adsorptsioon ja teisel toimub toimuma ülikiire faradi laenguülekande protsess. Elektrilise kaksikkihi kondensaatorite, hübriidkondensaatorite ja akude vahel ei ole ranget piiri, kuna kondensaatorite ülepinge korral ning hübriidkondensaatorite töö käigus esinevad lisaks elektrilise kaksikkihi laadimisele ka faradaadilised protsessid. Kuna osades faradiprotsessides on mahtuvused kordades suuremad kui elektrilise kaksikkihi kondensaatori laadimisel, siis püütaksegi kombineerida 2-elektroodseid süsteeme, kus ühel, näiteks negatiivsel elektroodil toimub katioonide redutseerumine. Tuntakse ka anioonide adsorptsioonist tingitud osalise laenguülekande protsessiga kaasnevat mahtuvuse olulist kasvu, seda eriti laengutiheduste alas, kus halogeniid- või mingid muud anioonid adsorbeeruvad ülitugevasti, nn spetsiifiliselt, loovutades osaliselt oma negatiivse laengu. Selliste kondensaatorite korral saavutatakse kuni 2,5-kordne energiatiheduse kasv väikestel võimsustihedustel, kuid selliste süsteemide võimsustihedused mõõdukatel energiatihedustel vähenevad, võrreldes tavaliste elektrilise kaksikkihi kondensaatoritega.

Olulisemad publikatsioonid:

Viirusi hävitavate nanostruktuursete materjalide sünteesimine ja uurimine õhufiltrites ja näomaskides ja pinnakaitse kiledes kasutamiseks

Antud temaatika on TÜKIs uudne ja selliste materjalide arendustöö algas 2020. a. Töö tulemusena saadakse kas vaakumaurustamise meetodil näomaskile sadestatud Cu ja tema oksiidide, hõbeda nanoklastrite ja tema oksiidide ning Zn ja tema ühendite nanostruktuursed kiled, millel on sõltuvalt valmistamisviisist väga erineva aktiivsusega gripiviirusi või COVID-viirusi tapvad omadused.

Väga aktiivsed materjalid saadakse nn elektrospinnimise meetodil, kus samaaegselt polümeeri lahusega surutakse alalisvoolu kõrgepinge väljas orgaanilises solvendis lahustatud või dispergeeritud Cu, Ag ja Zn ühendite (soolad, oksiidid jne) lahused, mis sadenevad polümeeri nanokihtide pinnale või ka poorsete polümeeri nanokiudude sisemusse. Selliselt valmistatud fiibrilised materjalid on võimelised õhust kinni püüdma palju väiksemaid viirust sisaldavaid aerosooli osakesi kui seda suudavad kommertsiaalsed näomaskid ja filtrid. Kuna osa Cu, Ag ja Zn nanoklastreid või nende ühendite nanoklasterid on vangistatud nanostruktuurse kuid poorse polümeeri nanokiu sisemusse, on tegemist õhukeskkonnas väga stabiilse materjaliga, mida on võimalik kasutada pikka aega kriitiliselt tähtsate ruumide õhu viirustest puhastamiseks. Vakuumis elektromagnetsadestatud nanostruktuursed Cu ja Cu(I) oksiidid ning ka Ag-ga aktiveeritud näomaskid on ohutult kasutatavad oluliselt pikemalt kui lihtsad näomaskid, mis vähendab väga oluliselt keskkonna reostamist näomaskidega. Kui sarnast lähendust kasutada õhufiltrermaterjalide valmistamisel väheneb oluliselt vajadus ühekordsete näomaskide kasutamiseks.

Rakenduselektrokeemia, nanopoorsete ja nanostruktuursete materjalide keemia, energia salvestamise ja materjalide tehnoloogia ning materjalide keemia loengukursused bakalaureuse-, magistri- ja doktoriõppes. Käsitletakse kaasaegse elektrokeemia aktuaalseid probleeme. Tutvustatakse lähemalt uuemate materjalide, energiasalvestite ning energiaallikate töö põhimõtteid ning olulisemaid rakendusalasid. Panustatakse järjepidevalt füüsika, keemia ja materjaliteaduse õppekava bakalaureuseõppe keemia ja materjaliteaduse tudengite juhendamisse ja õpetamisse.