Uus lähenemine võib energia salvestusseadmete tõhususe kahekordistada

Tartu Ülikooli ja Kopenhaageni Ülikooli teadlased jõudsid ideaalse elektrokatalüüsi protsessi teoreetilise kirjeldamiseni. Kui protsess õnnestuks praktikas teoks teha, oleks võimalik energia muundamis- ja salvestusseadmeid kaks korda tõhusamalt tööle panna, kirjutatakse Novaatoris.

Maailm otsib jätkusuutlikke lahendusi, et vastata kasvavale energiavajadusele. Tartu ja Kopenhaageni ülikoolide teadlased pakkusid hiljuti välja uue lähenemise, mis võimaldab ületada pikaajalisi piiranguid hapniku elektrokatalüüsis.

Image

Katalüüsist saab rääkida juhul, kui keemilisse reaktsiooni lisatakse mingi kiirendav lisand ehk katalüsaator. Näiteks võivad aineid omavahel kiiremini reageerima panna teatud looduslikud valgud ehk ensüümid. Elektrokatalüüsi lisatakse ka elektrood ehk mingisugune elektrit juhtiv keha. Elektrokatalüüsis hakkavad ained omavahel reageerima elektroodi pinnal.

Hapniku elektrokatalüüs hõlmab hapniku eraldumise ja redutseerumise reaktsioone. Need on ülimalt olulised mitmesugustes elektrokeemilistes energia muundamise ja salvestamise süsteemides, nagu vee elektrolüüsi puhul, kütuseelementides ja metall-õhk akudes.  

„Need reaktsioonid on keerulised, kuna hõlmavad mitme keemilise sideme katkemist ja moodustamist, millel on tavaliselt kõrge aktiveerimisenergia. Antud protsesside kiirendamiseks on vaja äärmiselt aktiivset katalüsaatorit, mis suudaks neid energiabarjääre tõhusalt alandada ja reaktsioone hõlbustada,“ ütles Tartu Ülikooli anorgaaniliste funktsionaalsete materjalide uurimisrühma (KongiLab) juht ja kaasprofessor Nadežda Kongi.

Tema sõnul on nendest piirangutest üle saamiseks ja vesinikumajandusele ülemineku kiirendamiseks vaja uut katalüsaatorite kavandamise paradigmat. „Meie töörühm on avastanud võimaluse neist teoreetilistest piirangutest mööda minna,“ märkis ta.

Hiljuti Kuningliku Keemia Seltsi ajakirjas Catalysis Science and Technology avaldatud artiklis tutvustas uurimisrühm uuenduslikku lähenemist: materjali geomeetriaga kohanduvat elektrokatalüüsi. Lähenemine kasutab katalüsaatoreid, mille kuju muutub reaktsiooni käigus. Sel moel saavadki ületatud aastakümneid hapniku elektrokatalüüsi arengut pidurdanud teoreetilised piirangud.

Uus meetod võimaldab elektrokatalüüsis minna mööda energiamahukast keemiliste sidemete lõhkumisest ja loomisest ning pakub selle asemel otseteed (vt allolevat joonist). „See kontseptsioon võib tuua revolutsiooni hapnikuelektrokatalüüsi valdkonda,“ ütles uuringu peamine autor Ritums Cepitis, Tartu Ülikooli keemia instituudi neljanda aasta doktorant.

Image

Geomeetria kohandamine hapniku elektrokatalüüsi ajal paneb katalüsaatorid käituma ideaalsena ja tõstab need aktiivsusvulkaani tippu. 
Autor/allikas: Cepitis et al. 2024/Catalysis Science & Technlogy

„Meie mudel näitab, et ideaalne katalüüs on käeulatuses ning praktiliselt võiks see potentsiaalselt kahekordistada energiamuundamise ja -salvestamise tehnoloogiate tõhusust,“ lisas Vladislav Ivaništšev, kes töötas idee välja koos professor Jan Rossmeisliga Kopenhaageni ülikoolis toimunud järeldoktorantuuri ajal.

Nüüd on meie grupp Tartus valmis seda lähenemist ellu viima. Laboritöö nõuab veelgi suuremat loovust kui modelleerimisetapp, kuid me näeme juba paljulubavaid edusamme,“ ütles Kongi.