Doktoritöö aitab paremini mõista ja prognoosida süsiniku nanostruktuuri ja elektrilise mahtuvuse seoseid energiasalvestites

Tartu Ülikooli keemia instituudis kaitstud doktoritöös uuriti nii eksperimentaalsete kui ka keemiainformaatika meetoditega nanopoorsete süsinikmaterjalide valmistamise meetodeid ja nende mahtuvust kirjeldavaid omadusi. Esimest korda õnnestus eksperimentaalselt mõõdetud struktuuritunnuste alusel täpselt prognoosida heterostruktuurse süsiniku rakenduse seisukohast olulist omadust.

Üha kasvavad keskkonnaprobleemid sunnivad pöörama enam tähelepanu alternatiivsetele energiaallikatele ja neis kasutatavatele keskkonnahoidlikele materjalidele. Selliste materjalide hulka kuulub ka nanopoorne süsinik. Lisaks võimele salvestada elektrienergiat on sellel suur potentsiaal leida rakendust molekulaarsõelana gaaside ja vedelike puhastamisel ning sidumisel, ioonide selektiivsel eraldamisel ning katalüsaatorikandjana näiteks madalatemperatuurilistes kütuseelementides.

„Kõigis neis rakendusviisides on vaja süsinikmaterjali spetsiifilist optimaalset struktuuri, mistõttu on ülioluline osata mõjutada eesmärgipäraselt nanostruktuuride ja poorsuse teket süsiniku sünteesil,“ kommenteeris Tartu Ülikooli keemia instituudi teadur ja doktoritöö autor Maike Käärik.

Doktoritöös otsiti seoseid karbiidset päritolu süsinikmaterjalide elektrilise kaksikkihi mahtuvuse ja eksperimentaalselt mõõdetavate struktuuritunnuste vahel, kasutades kvantitatiivseid nanostruktuur-omadussõltuvusi (QnSPR). Selleks sünteesiti üle 200 erineva mikro- ja makrostruktuuriga süsinikmaterjali, mille põhjal koostati unikaalne nanopoorsete süsinike andmebaas. Doktoriväitekirjas analüüsitakse põhjalikult sünteesitingimuste ja süsiniku poorse struktuuri seoseid ning antakse üksikasjalik ülevaade gaas-adsorptsioonanalüüsi meetodil mõõdetud pooride suuruse mõjust süsiniku elektrilise kaksikkihi mahtuvusele.

„Suures plaanis aitavad uurimistöö tulemused mõista üliväikeste pooride rolli suure mahtuvuse saavutamisel energiasalvestites,“ selgitas töö juhendaja, Tartu Ülikooli keemia instituudi molekulaartehnoloogia vanemteadur Jaan Leis.

Esimest korda õnnestus eksperimendist tuletatud struktuuritunnuste abil konstrueerida mitmeparameetrilised regressioonimudelid poorse süsiniku elektrilise mahtuvuse kirjeldamiseks ja prognoosimiseks. „Selle töö tähtsus seisneb eeskätt asjaolus, et leiti matemaatiline töövahend, mis võimaldab prognoosida arvutuslikult raskesti kirjeldatavate struktuuridega süsinikmaterjalide omadusi,“ kirjeldas Maike Käärik.

„Kvantitatiivseid struktuur-omadussõltuvusi on nanomaterjalide omaduste kirjeldamiseks ja prognoosimiseks püütud arendada viimased paarkümmend aastat. Probleemiks on olnud modelleerimiseks sobivate nanomaterjalide andmeseeriate puudumine ja sobilike molekulaarset struktuuri kirjeldavate parameetrite arvutamine või mõõtmine. Maike Kääriku doktoritöös on mõlemad takistused ületatud ja saadud on väga hea modelleerimistulemus,“ täiendas doktoritöö kaasjuhendaja, Tartu Ülikooli keemia instituudi vanemteadur Uko Maran.

Lisateave: Maike Käärik, Tartu Ülikooli keemia instituudi molekulaartehnoloogia teadur, 737 5279, maike.kaarik@ut.ee