Teadus
Vesinikuautosid võib tulevikus meie teedel näha üha rohkem. Näiteks see Toyota Mirai sõidab elektri jõul, mis tekib tänu paagis oleva vesiniku reageerimisele õhus oleva hapnikuga – ainus kõrvalsaadus on vesi. 1 – vesinikupaagid; 2 – õhu sisselaskeavad; 3 – kütuseelementide süsteem; 4 – aku; 5 – elektrimootor. Allikas: Toyota

Fotokatalüüsi püha graali otsides

Eduard Feldbach TÜ materjaliteaduse kaasprofessor

Fotokatalüüsil põhinev vesiniku tootmine veest on peagi konkurentsivõimeline ja vesinikust saab peamine energiaallikas. Tartu Ülikooli füüsika ja keemia instituudi teadlased on selles veendunud, kuid teel sinna tuleb üles leida püha graal ehk sobiv katalüsaatorimaterjal.

Üleminek vesinikuenergeetikale on mitmel põhjusel vältimatu. Paari viimase aastaga on aru saadud, et vesinikupõhine energeetika tagab majanduse lahtisidumise fossiilkütuseid kontrolli all hoidvatest totalitaarsetest riikidest ning annab energiasõltumatuse ja süsinikuneutraalsuse.

Süsinikuneutraalselt saab vesinikku toota vee elektrolüüsi teel, kui selleks kasutada vaid taastuvenergiat, s.t tuulegeneraatorite ja päikesepaneelide abil toodetud elektrit. Vee elektrolüüsiga saab hakkama iga tehnikahuviline – internetiavarustes on lõputu hulk õpetusi, kuidas veega täidetud moosipurki pistetud kahest metallplaadikesest mõni amper elektrivoolu läbi lasta, et ühest elektroodist vesinikku ja teisest hapnikku eralduma hakkaks.

Lihtne arvutus näitab aga, et tuule- ja päikeseenergia abil saadud vesiniku hind tuleb liialt kõrge. Seepärast pole see seni energiaturul konkurentsivõimeline olnud.

Põhimõtteliselt saaks ka tuumareaktorist CO2-neutraalset elektrit, kuid vaatamata sellele, et tuumatehnoloogia on praeguseks palju turvalisem kui varem, kardab suur osa inimestest tuumajaamu. Pealegi oleks tuumakütusest sõltumine julgeolekurisk – maailma suurim uraanikaevandaja (41%) on teadupärast Kasahstan, mis ei asu just kõige stabiilsemas piirkonnas.

Tegelikult saab veest vesinikku toota ka lihtsalt päikesevalguse abil. See esmapilgul imelihtne tehnoloogiline lahendus pakuti välja juba 1972. aastal, kui ajakirjas Nature ilmus Jaapani teadlaste Akira Fujishima ja Kenichi Honda artikkel[1], milles kirjeldati võimalust vee fotokatalüütiliseks lagundamiseks päikesevalguse toimel.

Üleilmne võidujooks

Fotokatalüüsil põhineva vesinikutootmistehnoloogia turuletoomisel on aga kitsaskohaks tõhusa, stabiilse, vastupidava ning odavalt ja suurtes kogustes toodetava katalüsaatori puudumine. Sellise katalüsaatormaterjali loomine on maailma materjaliteadlastele olnud üle 50 aasta tõsine proovikivi ja omandanud lausa püha graali staatuse.

Võidujooksus fotokatalüüsi püha graali nimel osalevad kõik maailma juhtivad teadusasutused. Viimase paari aastaga on mainekates teadusajakirjades ilmunud artikleid, milles väidetakse, et parimatel fotokatalüsaatoritel läheneb veemolekulide lagundamise tõhusus majandusliku tasuvuse üldtunnustatud piirile, s.o umbes 10%-le. Seega on eesmärk luua katalüsaator, millega vähemalt iga kümnes neeldunud valguse kvant tekitab vesiniku molekuli.

USA Energeetikaministeeriumi laborite konsortsiumi kodulehel on aukartust äratav nimekiri projektidest, mis ei jäta kahtlust, et fotokatalüüsil töötav vesinikugeneraator jõuab turule õige pea. Kuid ülesanne pole lihtne – ameeriklaste arvates on konkurentsivõimeline elektrolüüseris toodetava vesiniku kilogrammihind 2–4 USA dollarit. California osariigis, kus on korralik vesinikutanklate võrk ja sõidavad vesinikuautod, oli eelmise aasta oktoobris vesiniku hind tanklas üle 34 dollari kg kohta. Toyota Mirai paagitäiega (5,6 kg) saab sõita 650 km.

Tartu Ülikoolis tegutseb füüsika ja keemia instituudi materjaliteadlastest koosnev meeskond, kes testib eksperimentaalarenduse projektis koostöös Prantsuse kolleegidega oma fotokatalüsaatori efektiivsuse ja stabiilsuse suurendamise strateegiat ning metoodikat. Selleks saime raha Tartu Ülikooli arengufondilt.

Meie projekt toetub alates 2014. aastast füüsika instituudi röntgenspektroskoopia ja ioonkristallide füüsika laborites tehtud alusuuringutele, milles olid tähelepanu all spinellstruktuuriga ühendid. Keskendusime ühe spinellide rühma baasil loodavale fotokatalüsaatorile. Kõigepealt tuli aga lahendada üks küsimus: nimelt selgus, et päikeseenergiast vesinikuks muundamise fotokatalüütilise efektiivsuse mõõtmisel valitseb metoodiline segadus.

Valdkonna ühe tipu, USA-s asuva Lawrence Berkeley Riikliku Labori teadlased pakkusid välja mõõtmismetoodika standardiseerimise lahenduse[2], mis võimaldaks muuta katalüsaatori efektiivsuse mõõtmise eri laborites võimalikult võrreldavaks. Meie üks eesmärke oli ehitada nende soovitustele vastav fotokatalüütilise efektiivsuse mõõtmise seade, millest võiks hiljem välja arendada mõõtmisstandardi.

Spinellmaterjalide klass on väga suur ning mitmed ühendid on juba leidnud toodetes rakendust. Meie senine teadustöö lubab järeldada, et ka heade näitajatega fotokatalüsaatori arendamisel peitub võti just spinellide kristallstruktuuri eripära oskuslikus kasutamises.

See eripära seisneb esmapilgul kahes vastuolulises omaduses: kristallstruktuuri erakordses vastupidavuses ja suhteliselt lihtsalt tüüritavas elektronstruktuuris, mida veemolekuli elektronstruktuuriga sobitades saame katalüütilise efektiivsuse viia maksimumini.

Defektid loovad stabiilsust

Veemolekuli fotokatalüütilise lagundamise protsess koosneb mitmest faasist: valguskvandi ehk footoni neeldumine, elektron-auk-paari tekitamine, nende paaride lahutamine ja transport katalüsaatori pinnale, energia ülekanne vee molekulile ja lõpuks tekkivate hapniku ja vesiniku gaasimolekulide eraldamine ning salvestamine. Iga faasi tõhusus mõjutab lõpptulemust ja vajab tähelepanu.

Üks keerulisemaid protsesse on see, kui katalüsaatori pinnale jõudnud laengukandjate (elektronide ja aukude) energia tuleb üle kanda vee molekulile. Sel juhul ongi oluline, et katalüsaatori elektronstruktuur sobituks vee molekuli parameetritega.

Spinellid on õnneks selles suhtes kergesti häälestatavad. Teiseks on nende kristallstruktuuril erakordne stabiilsus, mis tagab elektrolüüsi protsessi töökindluse. Spinellide kristallstruktuur, nagu iga nn ioonkristall, koosneb korrapäraselt paiknevatest katioonidest ja anioonidest, kuid spinellide eripära on see, et suur osa katioonide positsioonidest on sisuliselt täitmata. See tähendab, et spinelli kristallis on justkui palju vaba ruumi, milles katioonid saavad kergesti ümber paigutuda.

Selline, piltlikult öeldes jäigas anioonkarkassis lõdvalt loksuvate katioonidega kristallvõre on erakordselt vastupidav. Kui katioon mingi välise mõjutuse toimel oma kohalt nihkub, on väga tõenäoline, et peagi naaseb see oma tasakaalulisele kohale. Seega „loksuvad“ tekkivad defektid paika tagasi, s.t toimub iseparanemine ja spinell säilitab tänu sellele pikaks ajaks oma funktsionaalsuse.

Teatud defektid võivad aga katalüütilist efektiivsust suurendada. Siin jõuamegi praegu populaarse nn defektsuse inseneeria (ingl defects engineering) valdkonda, kust meie arvates viib otsetee vee fotokatalüütilise lagundamise püha graali juurde.


[1] A. Fujishima, K. Honda, Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode, Nature, 238, 1972]

[2] O. Alley et al., Best Practices in PEC Water Splitting: How to Reliably Measure Solar-to-Hydrogen Efficiency of Photoelectrodes. – Frontiers in Energy Research, 10, 2022.

Lisa kommentaar

Teadus Fosforiiti sisaldavad puurimissüdamikud Eesti Geoloogiateenistuse Arbavere uurimiskeskuses.

Fosforiit – kas suur bluff või suur võimalus?

Eesti maapõues peituv fosforiit olevat mõnede hinnangute järgi väärt vähemalt 100 miljardit eurot – see oleks ju tõsiseltvõetav summa, mille eest saaks muu hulgas rahastada riigikaitset, tõsta pensione ja ehitada teid. Aastal 2015 kirjutas geoloog Valter Petersell Eesti Geoloogiakeskuse Toimetistes: „Eesti ...
Paavo Kangur
Teadus Kelli Lehto uurib eeloleva viie aasta jooksul täiskasva­nute ATH-ga seotud probleemide tekkepõhjuseid.

Kelli Lehto otsib geneetikast võtit, mis aitaks vaimse tervise probleeme targemalt diagnoosida

Tartu Ülikooli neuropsühhiaatrilise genoomika kaasprofessor Kelli Lehto ühendab värskes Euroopa Teadusnõukogu (ERC) alustava teadlase grandi projektis geneetika, psühholoogia ja andmeteaduse, et selgitada täiskasvanute aktiivsus- ja tähelepanuhäire tekkepõhjusi ja parandada diagnoosivõtteid. Aktiivsus- ja tähelepanuhäire (ATH) on võrdlemisi uus diagnoos, mida on ...
Piret Ehrenpreis
Doktoritööd Augustis kaitses meditsiiniteaduste valdkonnas doktoritöö Pille-Riin Meerits, kes uuris, kuidas aidata lapse­vanematel ja õpetajatel toetada laste sisemist liikumismotivatsiooni. „Sisemine motivatsioon tähendab, et laps liigub lusti pärast, mitte tasu nimel või karistuse hirmus. Lapsepõlves juurdunud liikumisharjumusi on edasises elus üsna keeru­line muuta, seega tuleks just noorte kehalist aktiivsust teadlikult toetada,“ ütles Meerits.

Värsked teadustööd: Kierkegaardist puuõõnsusteni

Suvel Tartu Ülikoolis kaitstud doktoritöödes uuriti näiteks hariduse ja teoloogia seoseid, kaubandusšokkide mõju, HIV kandjate vähiriski ning puuõõnsuste tähtsust metsade elurikkuse toetamisel. Kõigi kaitstud doktoritöödega saab tutvuda ülikooli DSpace’is ja kaitsmisele tulevaid väitekirju on võimalik lehitseda ülikooli raamatukogu lugemissaalis. Humanitaarteaduste ...
Universitas Tartuensis
Väitekiri Analüüsi käigus tuli esile, et suhtlust päästekorraldajaga mõjutavad eriomased tegurid, mis tulenevad just hädaabikõne detailirohkest ja tihti pingelisest olemusest.

Eesti hädaabikõned on teistest nüansirikkamad

Hiljutises doktoritöös selgus, et Eesti hädaabikõned erinevad teiste riikide omadest mitmeski mõttes. Töö tulemused annavad paremini mõista, millised probleemid võivad hädaabikõnedes tekkida, ning see omakorda loob võimaluse neid tulevikus ennetada. Hädaabikõnede vestlusanalüütiline uurimine algas Ameerika Ühendriikides 1960. aastatel ja esimene materjal ...
Piret Upser
Teadus Kui mündiviskel on kulli tõenäosus 0,7, tähendab see, et visates münti n korda, saame suure tõenäosusega jada, kus on ligi 70% kulle. Suurima tõenäosusega jada koosneb aga ainult kullidest.

Elumuutvad tõenäosusteooriad

Iga statistiline analüüs põhineb mudelil ja mudelist sõltub vähemalt sama palju kui andmetest. Erinevad mudelid, mis kasutavad täpselt samu andmeid, võivad anda miljoneid kordi erineva tulemuse – mudeli valik võib mõnikord olla sõna otseses mõttes elu ja surma küsimus. Selle sajandi ...
Jüri Lember
Teadus Maastike kaugseire kaasprofessor Jan Pisek ja tema kolleegid töötavad välja ja täiustavad meetodeid, mis hõlbustavad lehe kaldenurga mõõtmist ükskõik kus. Okaste kalde kohta teabe saamiseks kasutab ta 3D-fotogrammeetriat.

Valguse püüdmise kunst

Elu Maal sõltub taimede võimest muuta päikeseenergia fotosünteesi abil keemiliseks energiaks. Selle protsessi tõhusus sõltub imeväikestest asjadest – näiteks lehtede kaldenurgast. Valgus, mida taimed eluks vajavad, on äärmiselt muutlik keskkonnategur ning sel on taimede kasvule, ellujäämisele ja konkurentsivõimele väga suur mõju. ...
Jan Pisek
Teadus Juhan Ross 1979, aastal uurimistööd tegemas.

Sajand silmapaistva atmosfäärifüüsiku sünnist 

14. augustil möödub sada aastat meie tuntuima biogeofüüsiku, akadeemik Juhan Rossi sünnist. Muu hulgas peetakse teda Eesti kaugseire teadusharu alusepanijaks. Juhan Rossi nimi on jäädvustatud õige mitme teadusharu sünniloos ja arengus. Tema teened teaduse ees said algtõuke päikesekiirguse uurimisest. Nimelt ...
Ain Kallis
Doktoritööd Mais doktoritöö kaitsnud ukrainlanna Mariia Bakhtina, kellel on nii informaatika kui ka sotsiaalteaduste taust, peab uurimistöös kõige põnevamaks mitmemõõtmelisust. Ta püüdis oma väitekirjas, mis puudutab infoturvet ja privaatsuse kaitset nutilahendustes, mõista, kuidas ärivajadusi, eeskirju ja tööjõukorraldust turvatehnoloogiaga kõige paremal moel kokku sobitada.

Värsked doktoritööd: psalmide poeetikast väikekeelte digiteerimiseni

Aprillis ja mais Tartu Ülikoolis kaitstud doktoritöödes uuriti näiteks süüria- ja heebreakeelseid psalme, Venemaa infomanipulatsioonide mõistmist Jaapanis, perearstide puuduse põhjusi ning väikekeelte masintõlke võimalusi. Kõigi kaitstud doktoritöödega saab tutvuda ülikooli DSpace’is ja kaitsmisele tulevaid väitekirju on võimalik lehitseda ülikooli raamatukogu ...
Universitas Tartuensis
Teadus Ric Dengel on ka üliõpilasprojekti „KuupKulgur“ juhtivinsener. „KuupKulgur“ on Tartu Ülikooli tudengite algatus, mille eesmärk on arendada Eesti esimest kuukulgurit. Üliõpilased saavad sellest väärtusliku praktilise kogemuse, Eesti inseneeria- ja kosmoseteadus saab aga järelkasvu.

Kosmosetehnoloogia avardab võimaluste piire ka Maal

Tartu Ülikooli kosmosetehnoloogia nooremteadur Ric Dengel on üks kolmest Eesti doktorandist, kellel on oma projekt Euroopa Kosmoseagentuuri (ESA) tehnoloogilisi uuendusi otsivas programmis „Open Space Innovation Platform“. Selle aasta veedab ta külalisuurijana Hollandis ESA kosmoseuuringute ja -tehnoloogia keskuses ESTEC. Kosmosetehnoloogia on ...
Merilyn Merisalu
Accept Cookies