{"id":423,"date":"2025-02-13T01:07:00","date_gmt":"2025-02-12T23:07:00","guid":{"rendered":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/?p=423"},"modified":"2025-02-13T23:13:25","modified_gmt":"2025-02-13T21:13:25","slug":"fotokataluusi-puha-graali-otsides","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/fotokataluusi-puha-graali-otsides\/","title":{"rendered":"Fotokatal\u00fc\u00fcsi p\u00fcha graali otsides"},"content":{"rendered":"

Fotokatal\u00fc\u00fcsil p\u00f5hinev vesiniku tootmine veest on peagi konkurentsiv\u00f5imeline ja vesinikust saab peamine energiaallikas. Tartu \u00dclikooli f\u00fc\u00fcsika ja keemia instituudi teadlased on selles veendunud, kuid teel sinna tuleb \u00fcles leida p\u00fcha graal ehk sobiv katal\u00fcsaatorimaterjal.<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\u00dcleminek vesinikuenergeetikale on mitmel p\u00f5hjusel v\u00e4ltimatu. Paari viimase aastaga on aru saadud, et vesinikup\u00f5hine energeetika tagab majanduse lahtisidumise fossiilk\u00fctuseid kontrolli all hoidvatest totalitaarsetest riikidest ning annab energias\u00f5ltumatuse ja s\u00fcsinikuneutraalsuse.<\/p>\n\n\n\n

S\u00fcsinikuneutraalselt saab vesinikku toota vee elektrol\u00fc\u00fcsi teel, kui selleks kasutada vaid taastuvenergiat, s.t tuulegeneraatorite ja p\u00e4ikesepaneelide abil toodetud elektrit. Vee elektrol\u00fc\u00fcsiga saab hakkama iga tehnikahuviline\u00a0\u2013 internetiavarustes on l\u00f5putu hulk \u00f5petusi, kuidas veega t\u00e4idetud moosipurki pistetud kahest metallplaadikesest m\u00f5ni amper elektrivoolu l\u00e4bi lasta, et \u00fchest elektroodist vesinikku ja teisest hapnikku eralduma hakkaks.<\/p>\n\n\n\n

Lihtne arvutus n\u00e4itab aga, et tuule- ja p\u00e4ikeseenergia abil saadud vesiniku hind tuleb liialt k\u00f5rge. Seep\u00e4rast pole see seni energiaturul konkurentsiv\u00f5imeline olnud.<\/p>\n\n\n\n

P\u00f5him\u00f5tteliselt saaks ka tuumareaktorist CO2<\/sub>-neutraalset elektrit, kuid vaatamata sellele, et tuumatehnoloogia on praeguseks palju turvalisem kui varem, kardab suur osa inimestest tuumajaamu. Pealegi oleks tuumak\u00fctusest s\u00f5ltumine julgeolekurisk\u00a0\u2013 maailma suurim uraanikaevandaja (41%) on teadup\u00e4rast Kasahstan, mis ei asu just k\u00f5ige stabiilsemas piirkonnas.<\/p>\n\n\n\n

Tegelikult saab veest vesinikku toota ka lihtsalt p\u00e4ikesevalguse abil. See esmapilgul imelihtne tehnoloogiline lahendus pakuti v\u00e4lja juba 1972.\u00a0aastal, kui ajakirjas Nature ilmus\u00a0Jaapani teadlaste Akira Fujishima ja Kenichi Honda artikkel[1]<\/sup><\/a>, milles\u00a0kirjeldati v\u00f5imalust vee fotokatal\u00fc\u00fctiliseks lagundamiseks p\u00e4ikesevalguse toimel.<\/p>\n\n\n\n

\u00dcleilmne v\u00f5idujooks<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Fotokatal\u00fc\u00fcsil p\u00f5hineva vesinikutootmistehnoloogia turuletoomisel on aga kitsaskohaks t\u00f5husa, stabiilse, vastupidava ning odavalt ja suurtes kogustes toodetava katal\u00fcsaatori puudumine. Sellise katal\u00fcsaatormaterjali loomine on maailma materjaliteadlastele olnud \u00fcle 50\u00a0aasta t\u00f5sine proovikivi ja omandanud lausa p\u00fcha graali staatuse.<\/p>\n\n\n\n

V\u00f5idujooksus fotokatal\u00fc\u00fcsi p\u00fcha graali nimel osalevad k\u00f5ik maailma juhtivad teadusasutused. Viimase paari aastaga on mainekates teadusajakirjades ilmunud artikleid, milles v\u00e4idetakse, et parimatel fotokatal\u00fcsaatoritel l\u00e4heneb veemolekulide lagundamise t\u00f5husus majandusliku tasuvuse \u00fcldtunnustatud piirile, s.o umbes 10%-le. Seega on eesm\u00e4rk luua katal\u00fcsaator, millega v\u00e4hemalt iga k\u00fcmnes neeldunud valguse kvant tekitab vesiniku molekuli.<\/p>\n\n\n\n

USA Energeetikaministeeriumi laborite\u00a0konsortsiumi kodulehel<\/a>\u00a0on aukartust \u00e4ratav nimekiri projektidest, mis ei j\u00e4ta kahtlust, et fotokatal\u00fc\u00fcsil t\u00f6\u00f6tav vesinikugeneraator j\u00f5uab turule \u00f5ige pea. Kuid \u00fclesanne pole lihtne\u00a0\u2013 ameeriklaste arvates on konkurentsiv\u00f5imeline elektrol\u00fc\u00fcseris toodetava vesiniku kilogrammihind 2\u20134 USA dollarit. California osariigis, kus on korralik vesinikutanklate v\u00f5rk ja s\u00f5idavad vesinikuautod, oli eelmise aasta oktoobris vesiniku hind tanklas \u00fcle 34\u00a0dollari kg kohta. Toyota Mirai paagit\u00e4iega (5,6 kg) saab s\u00f5ita 650\u00a0km.<\/p>\n\n\n\n

\n
\"\"<\/a>
Loo autor Eduard Feldbach Jaapanis Okazaki s\u00fcnkrotroni BL3B kiirekanalil spinelle uurimas. Foto: erakogu<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
\"\"<\/a>
T\u00dc teadlaste\u00a0koost\u00f6\u00f6partner, teadur Andreas Zerr Pariisis Sorbonne\u2019i \u00dclikooli laboris oma\u00a0\u00a0unikaalse r\u00f6ntgen-difraktsioonseadmega Tartus s\u00fcnteesitud spinell-katal\u00fcsaatoreid testimas. Foto: erakogu<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
\"\"<\/a>
Rainer P\u00e4rna FinEstBeAMS kiirekanali tahkisejaamas uurimas spinellstruktuuriga ferriite. Foto: erakogu<\/figcaption><\/figure>\n\n\n\n
\"Rasmus<\/a>
Meeskonna noorim liige, f\u00fc\u00fcsika kolmanda aasta \u00fcli\u00f5pilane Rasmus Seerma k\u00e4ivitamas fotokatal\u00fc\u00fctilise efektiivsuse m\u00f5\u00f5tmise seadet.<\/figcaption><\/figure>\n<\/figure>\n\n\n\n

Tartu \u00dclikoolis tegutseb f\u00fc\u00fcsika ja keemia instituudi materjaliteadlastest koosnev meeskond, kes testib eksperimentaalarenduse projektis koost\u00f6\u00f6s Prantsuse kolleegidega oma fotokatal\u00fcsaatori efektiivsuse ja stabiilsuse suurendamise strateegiat ning metoodikat. Selleks saime raha Tartu \u00dclikooli arengufondilt.<\/p>\n\n\n\n

Meie projekt toetub alates 2014.\u00a0aastast f\u00fc\u00fcsika instituudi r\u00f6ntgenspektroskoopia ja ioonkristallide f\u00fc\u00fcsika laborites tehtud alusuuringutele, milles olid t\u00e4helepanu all spinellstruktuuriga \u00fchendid. Keskendusime \u00fche spinellide r\u00fchma baasil loodavale fotokatal\u00fcsaatorile. K\u00f5igepealt tuli aga lahendada \u00fcks k\u00fcsimus: nimelt selgus, et p\u00e4ikeseenergiast vesinikuks muundamise fotokatal\u00fc\u00fctilise efektiivsuse m\u00f5\u00f5tmisel valitseb metoodiline segadus.<\/p>\n\n\n\n

Valdkonna \u00fche tipu, USA-s asuva Lawrence Berkeley Riikliku Labori\u00a0teadlased\u00a0pakkusid v\u00e4lja m\u00f5\u00f5tmismetoodika standardiseerimise lahenduse<\/a>[2]<\/u><\/sup><\/u><\/sup><\/a>, mis\u00a0v\u00f5imaldaks muuta katal\u00fcsaatori efektiivsuse m\u00f5\u00f5tmise eri laborites v\u00f5imalikult v\u00f5rreldavaks. Meie \u00fcks eesm\u00e4rke oli ehitada nende soovitustele vastav fotokatal\u00fc\u00fctilise efektiivsuse m\u00f5\u00f5tmise seade, millest v\u00f5iks hiljem v\u00e4lja arendada m\u00f5\u00f5tmisstandardi.<\/p>\n\n\n\n

Spinellmaterjalide klass on v\u00e4ga suur ning mitmed \u00fchendid on juba leidnud toodetes rakendust. Meie senine teadust\u00f6\u00f6 lubab j\u00e4reldada, et ka heade n\u00e4itajatega fotokatal\u00fcsaatori arendamisel peitub v\u00f5ti just spinellide kristallstruktuuri erip\u00e4ra oskuslikus kasutamises.<\/p>\n\n\n\n

See erip\u00e4ra seisneb esmapilgul kahes vastuolulises omaduses: kristallstruktuuri erakordses vastupidavuses ja suhteliselt lihtsalt t\u00fc\u00fcritavas elektronstruktuuris, mida veemolekuli elektronstruktuuriga sobitades saame katal\u00fc\u00fctilise efektiivsuse viia maksimumini.<\/p>\n\n\n\n

Defektid loovad stabiilsust<\/strong><\/p>\n\n\n\n

Veemolekuli fotokatal\u00fc\u00fctilise lagundamise protsess koosneb mitmest faasist: valguskvandi ehk footoni neeldumine, elektron-auk-paari tekitamine, nende paaride lahutamine ja transport katal\u00fcsaatori pinnale, energia \u00fclekanne vee molekulile ja l\u00f5puks tekkivate hapniku ja vesiniku gaasimolekulide eraldamine ning salvestamine. Iga faasi t\u00f5husus m\u00f5jutab l\u00f5pptulemust ja vajab t\u00e4helepanu.<\/p>\n\n\n\n

\u00dcks keerulisemaid protsesse on see, kui katal\u00fcsaatori pinnale j\u00f5udnud laengukandjate (elektronide ja aukude) energia tuleb \u00fcle kanda vee molekulile. Sel juhul ongi oluline, et katal\u00fcsaatori elektronstruktuur sobituks vee molekuli parameetritega.<\/p>\n\n\n\n

Spinellid on \u00f5nneks selles suhtes kergesti h\u00e4\u00e4lestatavad. Teiseks on nende kristallstruktuuril erakordne stabiilsus, mis tagab elektrol\u00fc\u00fcsi protsessi t\u00f6\u00f6kindluse. Spinellide kristallstruktuur, nagu iga nn ioonkristall, koosneb korrap\u00e4raselt paiknevatest katioonidest ja anioonidest, kuid spinellide erip\u00e4ra on see, et suur osa katioonide positsioonidest on sisuliselt t\u00e4itmata. See t\u00e4hendab, et spinelli kristallis on justkui palju vaba ruumi, milles katioonid saavad kergesti \u00fcmber paigutuda.<\/p>\n\n\n\n

Selline, piltlikult \u00f6eldes j\u00e4igas anioonkarkassis l\u00f5dvalt loksuvate katioonidega kristallv\u00f5re on erakordselt vastupidav. Kui katioon mingi v\u00e4lise m\u00f5jutuse toimel oma kohalt nihkub, on v\u00e4ga t\u00f5en\u00e4oline, et peagi naaseb see oma tasakaalulisele kohale. Seega \u201eloksuvad\u201c tekkivad defektid paika tagasi, s.t toimub iseparanemine ja spinell s\u00e4ilitab t\u00e4nu sellele pikaks ajaks oma funktsionaalsuse.<\/p>\n\n\n\n

Teatud defektid v\u00f5ivad aga katal\u00fc\u00fctilist efektiivsust suurendada. Siin j\u00f5uamegi praegu populaarse nn\u00a0defektsuse inseneeria (ingl\u00a0defects engineering<\/em>) valdkonda, kust meie arvates viib otsetee vee fotokatal\u00fc\u00fctilise lagundamise p\u00fcha graali juurde.<\/p>\n\n\n\n

\n\n\n\n

[1]<\/sup><\/a>\u00a0A. Fujishima, K. Honda, Electrochemical Photolysis of Water at a Semiconductor Electrode, Nature, 238, 1972]<\/p>\n\n\n\n

[2]<\/sup><\/a>\u00a0O. Alley\u00a0et al<\/em>.,\u00a0Best Practices in PEC Water Splitting: How to Reliably Measure Solar-to-Hydrogen Efficiency of Photoelectrodes. \u2013 Frontiers in Energy\u00a0Research, 10, 2022.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

Fotokatal\u00fc\u00fcsil p\u00f5hinev vesiniku tootmine veest on peagi konkurentsiv\u00f5imeline ja vesinikust saab peamine energiaallikas. Tartu \u00dclikooli f\u00fc\u00fcsika ja keemia instituudi teadlased on selles veendunud, kuid teel sinna tuleb \u00fcles leida p\u00fcha graal ehk sobiv katal\u00fcsaatorimaterjal. \u00dcleminek vesinikuenergeetikale on mitmel p\u00f5hjusel v\u00e4ltimatu. …<\/p>\n","protected":false},"author":689,"featured_media":424,"comment_status":"open","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":{"_acf_changed":false,"inline_featured_image":false,"footnotes":""},"categories":[6],"tags":[],"class_list":["post-423","post","type-post","status-publish","format-standard","has-post-thumbnail","hentry","category-teadus"],"acf":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/423","targetHints":{"allow":["GET"]}}],"collection":[{"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/users\/689"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/comments?post=423"}],"version-history":[{"count":4,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/423\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":487,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/posts\/423\/revisions\/487"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/media\/424"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/media?parent=423"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/categories?post=423"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/sisu.ut.ee\/ajakiri\/wp-json\/wp\/v2\/tags?post=423"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}