Alternatiiv plaatinale

Hapniku elektrokatalüütiline redutseerumine mitte-väärismetallidest katalüsaatoritel

Fossiilkütuste põletamisel põhinev energiatsükkel toodab paratamatult kasvuhoonegaase ja terve rea teisi saasteaineid, mis on kahjulikud nii inimese organismile kui loodusele. Üleminek süsinikul põhinevalt energiatsüklilt mõne säästvama alternatiivi peale on üks kriitilisemaid probleeme 21. sajandil. Kui rääkida transpordisektorist, siis paraku tuleb pea kogu kasutatav energia endiselt fossiilsetest kütustest, kuigi nt, biometaan (maagaasi metaanisisalduseni puhastatud biogaas) juba asendab õige väikese osa fossiilsest maagaasist ja akude jõul sõitvad transpordivahendid koguvad jätkuvalt teatavat populaarsust. Siiski on biometaani kasutamine tähtis eelkõige põllumajandus- ja olmejäätmete keskkonnahoidliku ärakasutamise aspektist.

Üheks alternatiiviks sisepõlemismootorile on polümeerelektrolüüt kütuseelemendid – PEFC (ingl Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells). Kütuseelement on oma olemuselt seade, milles vesiniku ja hapniku vahelise reaktsiooni keemiline energia muundatakse kütuseelemendi abil elektrienergiaks ja produktiks on üksnes puhas veeaur. Nii asendatakse fossiilsete kütuste põletamine ja sellega kaasnev keskkonna saastamine keemilise reaktsiooni teel saadava elektriga, mis käitab juba sõiduki mootorit. Põhiline probleem PEFC tehnoloogia juures on katoodil toimuva hapniku elektrokeemilise redutseerumise käigus hapnik-hapnik sideme lõhustamine. See toimub kütuseelemendi katoodil, kus katalüsaatormaterjaliks on traditsiooniliselt kallihinnaline plaatina (Pt) ja selle sulamid. Plaatina aga on väärismetall, mistõttu tema hind moodustab PEFC koguhinnast hetkel ligikaudu poole! Lisaks tuleks kõigi praegu kasutusel olevate autode asendamiseks plaatinakatalüsaatoritega vesinikautodega kasutusele võtta tervelt ligikaudu veerand kogu maakoores leiduvast plaatinast. Seetõttu on pearõhk PEFC teadusuuringutel olnud plaatina asendamisel odavamate ja kättesaadavamate katalüsaatormaterjalidega.

Oma doktoritöös uurisin plaatinale võimalikke alternatiive mitmete erinevate süsiniknanomaterjalide seast. Nendeks olid grafeen – sisuliselt kujutab see ühekihilist grafiiti; süsiniknanotorud – neid võib ette kujutada rulli keeratud grafiidina, ja veel ka karbiidset päritolu süsinik, see on süsinikmaterjal, mida saadakse karbiididest metalli või poolmetalli aatomite eemaldamisel. Puhtal kujul on need materjalid hapniku redutseerumise suhtes praktiliselt inaktiivsed, mistõttu tegelesin suures osas oma tööst nende dopeerimisega, s.t. süsiniku võresse heteroaatomite (lämmastiku, raua ja koobalti) sisestamisega. Selleks töötasin välja erinevaid strateegiaid ning uurisin koostöös kolleegidega Tartu Ülikooli Füüsika Instituudist ja Montpellier’ ülikoolist Prantsusmaal lisaks elektrokatalüütilisele aktiivsusele ka saadud materjalide struktuuri ja elementkoostist. Seeläbi õnnestus mul luua süntees=>struktuur=>aktiivsus laadi sõltuvusi, mis aitasid uuritavaid plaatinat asendavaid materjale veelgi edasi arendada. Uuringu tulemused on loodetavasti abiks ka teistele töörühmadele.

Kokkuvõttes suutsin oma doktoritöö tulemuste põhjal tõestada, et dopeeritud süsiniknanomaterjalid on võimalik asendus kütuseelemendis plaatina-põhistele katoodimaterjalidele ning nende abil saab oluliselt vähendada süsteemi maksumust. Loodan, et minu töö tulemused jõuavad kiiresti praktiliste lahendusteni madalatemperatuursete kütuseelementide rakendamisel vesinikul töötavates sõidukites.