Autor:
Kaspar Koolmeister

Rakenduselektrokeemia õppetool

Rakenduselektrokeemia on keemial, füüsikal ja materjaliteadusel tuginev interdistsiplinaarne eriala, mida rakendatakse väga paljudes kõrgtehnoloogilistes valdkondades, kaasa arvatud energia muundamisel ja salvestamisel.

Teadustöö põhisuunad

Õhukesekihiliste kompleksmetallhüdriidide arendamine

PhD Rasmus Palm, Kenneth Tuul, PhD Riinu Härmas, Miriam Koppel jt

Image
Ramus Palmi grupp

Vesiniku laialdasem kasutuselevõtt võimaldab energeetikas ellu viia rohepöörde ja olulisel määral loobuda fossiilkütustest. Selleks, et see realiseeruks, tuleb vähendada vesiniku salvestamiseks tehtavaid kulutusi. Vesinikku on võimalik salvestada rõhu all (kuni1050 bar, milleks kulub 22-25 % vesinikus olevast energiast), veeldatud kujul (milleks kulub 30-33 % energiast) kui ka salvetatuna  õhukesekihilistes süsinikmembraanides (energiakulu väike, kuid mahutavus ainult 3-3,5 massi%). Oluliselt sobivam meetod on salvestada vesinikku üliõhukestes kompleksmetallhüdriidides, mille adsorptsioonilist mahtuvust on võimalik kordades suurendada, võrreldes mikro-mesopoorsete süsinikmaterjalidega. Tänu mikro-meso-makropoorsetele hierarhilise struktuuriga süsinikkandjale ja üliõhukesele kompleksmetallhüdriidi kihile on vesiniku salvestamine ja vabanemine kiire ja toimub juba toatemperatuuril, mis annab võimaluse kasutada selliseid vesinikusalvesteid isegi ilma täiendavate soojusvahetiteta ka PEMFC autodel. Kuna tegemist on komplekshüdriidide üliõhukeste kihtidega, on selliste vesinikusalvestite kasutamine erinevatel sõidukitel väga väikese energiakuluga. Kõige suuremaks eeliseks on aga õnnetusjuhtumite korral täielik plahvatuskindlus, sest vesiniku vabanemine on ülimalt hästi kontrollitav ja ei ole võimalust plahvatusohtliku segu (nn paukgaas) moodustumiseks.


Kõrge võimsus- ja energiatihedusega superkondensaatorite arendamine

PhD Alar Jänes, PhD Thomas Thomberg, PhD Ove Oll, PhD Tavo Romann, prof. Enn Lust jt

Image
supercapacitors.png

Süsinikmaterjalide uurimine nii vesi- kui ka mittevesilahustes algas TÜ keemia instituudis 1991. aastal. Erilise hoo sai superkondensaatoreite uurimine sisse 1997. aastal, mil Tartu Tehnoloogiad AS kutsus TÜ elektrokeemikud arendama mittevesilahusel töötavaid superkondensaatoreid. TÜ elektrokeemikud töötasid intensiivselt Tartu Tehnoloogias kuni 2005. aastani, kuigi episoodilised sidemed on toiminud ka hiljem. Nüüdseks on TÜKIs uuritud nii ülikallitest binaarsetest ja ternaarsetest karbiididest, aga ka aegunud glükoosilahustest, suhkrust ja Eesti hästilagunenud turbast toodetud mikro-meso-markropoorsete süsinike kasutusvõimalusi kõrge energia- ja võimsustihedusega superkondensaatorites. On tõestud, et kõrgeid võimsustihedusi on võimalik saada elektrolüütide ET3MeNBF4, ET4NBF4 jne lahustes atsetonitriilis 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 superkondensaatoris, mida on elektrokeemiliselt kontrollitud faradireakstioonide tingimustes polariseeritud, et lahustada süsiniku pinnalt maha aktiivsed pinnaosad (st mittegrafitiseeritud amorfsed defektidega pinnaosad/tsentrid).Kui on vaja kindlasti vältida superkondensaatorite ja Na-ioon patareide üle laadimist ja vältida Li-ioon patareides ülekuumenemist, on võimalik elektrolüüti lisada kõrgetel potentsiaalidel elektrokeemiliselt polümeriseeruvaid lisandeid, mille tulemusena tekib elektroodile isolaarorikiht ja seega üle laadimist ja võimalikku kondensaatori plahvatust ei toimu. Selle kohta on välja antud USA, WO ja UK  patendid. ASis Tartu Tehnoloogiad kogutud teadmisetele on üles ehitatud rahvusvahelist tuntust kogunud Eesti firma Skeleton.


Hübriidkondensaatorite arendustöö

PhD Alar Jänes, PhD Thomas Thomberg, PhD Ove Oll, PhD Jaanus Eskusson jt

Image
Kondekas

Hübriidkondensaatorid on süsteemid elektrienergia salvestamiseks, kus ühel elektroodil toimub traditsiooniline ioonide füüsikaline adsorptsioon ja teisel peaks toimuma ülikiire faradi laenguülekande protsess. Tegelikult puudub neil terav piir elektrilise kaksikkihi kondensaatorite ja patareidega, sest EDLCde üle polariseerimisel hakkab tavaliselt toimuma faradiprotsess.

Kuna osades faradiprotsessides on mahtuvused kordades suuremad kui EDLC laadimisel, siis püütaksegi kombineerida kahe-elektroodseid süsteeme, kus ühel näiteks negatiivsel elektroodil toimub Zn2+ ioonide redutseerumine Zn-ks. 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 (isegi kuni 100 korda väiksem).


Li-ioon ja Na-ioon patareide arendamine

PhD Ove Korjus, Annabel Olgo, PhD Alar Jänes, PhD Jaanus Eskusson jt

Image
batteries.png

Kuna TÜ keemia instituudis sünteesitakse väga erilisi süsinikmaterjale, mis on kas ülipoorsed, hästi suure mikropoorsusega või ülimalt mesopoorsed, siis loomulikult on vaja uurida neid materjale ja nende kasutusvõimalusi väga erinevates taastuvenergeetika seadmetes,  k.a  Li-ioon ja Na-ioon patareide elektroodidena. Li-ioon ja Na-ioon patareid võiksid saada väga olulise rakenduse just keskmise pikkusega (tunnid, päevad või isegi mõned kuud) taastuvenergeetika salvestusväljades, kui Li-ioon patareide hinda oleks võimalik 10 või rohkem korda alandada. Na-ioon patareid võiksid olla hästi odavad, kuid need on lõpuni välja arendamata. Instituudis läbi viidud süstemaatilise uurimistöö tulemusena leiti, et karbiididest sünteesitud süsinikud omavad suhteliselt madalaid salvestusmahtuvuse väärtusi (negatiivselt laetud elektrood kuni 150 mAh g-1, kui positiivselt laetud elektroodina kasutati 3-elektroodses süsteemis testimiseks metalset Li-elektroodi). Seega karbiididest sünteesitud süsinikud on liiga vähe grafitiseeritud ja ei sobi Li-ioon patareides ega hästi ka Na-ioon patareides kasutamiseks.

Glükoosilahusest sünteesitud süsinikud ning ka Eesti hästi lagunenud mudaturbast sünteesitud nn jäigad kuid väga nõrgalt grafitiseeritud süsinikud osutusid üliheadeks negatiivselt laetud elektroodide materjalideks Na-ioon patareides, kuna nende korral on mahtuvused 330-360 mAh kg-1 (testitud 3-elektrooses süsteemis Na-anoodi kasutades) on sama head kui Li-ioon patareide negatiivselt laetud grafiitelektroodi mahtuvus (320-380 mAh g-1). Kuna aga naatriumi  ennast ei soovitata kasutada laiatarbekaupades, siis on meie uuringud keskendunud suure mahtuvusega positiivselt laetud elektroodimaterjali sünteesimisele.

Lisaks sellele on võimalik uuringute tulemusena laiendada solventide valikut ja samuti solvendis kasutada odavamaid ja kõrgema lagunemise ülepingega elektrolüüte.


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

PhD Thomas Thomberg, PhD Tavo Romann,  PhD Andres Lust jt

Image
Thomas Thomberg

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 metodil, kus samaaegselt polümeeri lahusega surutakse alalisvoolu kõrgepinge välja orgaanilises solvendis lahustatud Cu, Ag ja Zn soolade lahused, mis kõrgepinge elektrivälja mõjul dissotiseeruvad ja katioonid sadenevad polümeeri nanokihtide pinnale või ka poorsete polümeeri nanokiudude sisemusse.

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 elertomagnetsadestatud nanostruktuursed Cu ja Cu(1) oksiidid ning ka Ag-ga aktiveeritud näomaskid on ohutult kasutatavad oluliselt pikemalt kui lihtsad näomaskid, mis vähendab väga oluliselt keskkonna reostamist näomaskidega ja ka õhufiltritega.


Õppetöö

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.

Meedia

Mikrofon stuudios

Keemia instituudis loodi taskuhääling „Tuleviku energeetika – energia tulevik“ (TEET)

Analüütilise keemia mikrokraadipäis

Analüütilise keemia mikrokraadiprogramm

Loodusvaatluste maraton

Kodanikuteaduse seminaril räägitakse, kuidas rikastab avalikkuse kaasamine teadustööd