Vesinikautod on küll keskkonnasäästlikud, kuid nende hinnaklass on siiani olnud liiga kõrge.
FOTO: Wikimedia Commons

Doktorant ähvardab teha hirmkalli vesinikauto taskukohasemaks

Teadus

Tartu Ülikooli keemia doktorant Sander Ratso lõi uudse tehnoloogia, mille kasutuselevõtt lööks ülikallite kütuseelementide hinna alla ja muudaks need kõigile kättesaadavaks laiatarbekaubaks.

Tulemusrikas teadustöö

Ratso magistritöö tulemused avaldati kolmes rahvusvahelises teadusajakirjas ja uurimus sai möödunud aastal üliõpilastööde riiklikul konkursil esimese koha.

Ratso töö sai võimalikuks tänu sellele, et Haridus- ja Teadusministeerium rahastas tema juhendaja Kaido Tammeveski juhitud institutsionaalset uurimisteemat ja Euroopa Regionaalarengu Fond professor Enn Lusti juhitud teaduse tippkeskuse projekti «Uudsed materjalid ja kõrgtehnoloogilised seadmed energia muundamise ja salvestamise süsteemidele».

Tammeveski töörühm Tartu Ülikooli keemia instituudis on saavutanud märkimisväärset edu kütuseelemendi katalüsaatorite uurimisel. Viimasel viiel aastal on rühma liikmed avaldanud sellel teemal ligi 50 teadusartiklit, millele on viidanud suur hulk nende kolleege terves maailmas.

Kas teadsid?

  • Kütuseelement on seade, millega keemiline energia muundatakse elektrienergiaks.
  • Kütuseelemendil kui keemilisel vooluallikal on suur eelis fossiilsete kütuste põletamisel põhinevate tehnoloogiate ees, sest see toodab energiat traditsioonilistest lahendustest tõhusamalt.
  • Kütuseelement toodab energiat ilma saasteaineid ehk emissiooni tekitamata. Kütuseelemendi abil sõitva auto väljalasketorust tuleb ainult veeauru.
  • Madalatemperatuuriline kütuseelement vajab kütuseks puhast vesinikku või metanooli. Selliseid kütuseelemente saab kasutada mootorsõidukites, kodustes kütte- ja elektritootmissüsteemides ning kaasaskantavates elektriseadmetes, näiteks nutitelefonides ja sülearvutites.

Kütuseelement on seade, milles vesiniku ja hapniku ühinemisel tekib elektrienergia. Selliseid kütuseelemente kasutatakse vesinikautodes. Seega aitaks kütuseelementide hinna langus kaasa sellele, et praegu väga kalleid keskkonnasäästlikke vesinikautosid võetaks rohkem kasutusele. 

Toyota Mirai, Hyundai Nexo ja Honda Clarity Fuel Cell on vesinikautod, mis vuravad ringi mitmel pool maailmas. Nende masinate kütuseelementides kiirendatakse keemilist reaktsiooni ülikallil plaatinal põhineva katalüsaatoriga.

On võimalik, et need ja uuemadki mudelid muutuvad tulevikus senisest palju odavamaks ning et nende liikumapanev jõud tuleb Eestis loodud soodsa hinnaga süsinik-nanotorudest katalüsaatoritest.

Edukas magistritöö

Artiklite avaldamine kõrge tasemega rahvusvahelistes teadusajakirjades kuulub tavaliselt doktoritöö juurde, aga Tartu Ülikooli keemik Sander Ratso tuli sellega toime juba magistritöö tasemel. Veelgi enam – tema arendustöö võib lahendada suure probleemi, millega kütuseelemente tootev tööstus seisab praegu silmitsi.

Noor teadlane Ratso, kes soovib muuta maailma paremaks, on loonud materjali, millega võiks kütuseelementide tootmise hinda kordades langetada.

Soomes ja USA-s tehtud katsete tulemused kinnitavad, et tegemist on lootustandva plaatina alternatiiviga, mis võib aidata toota kütuseelemente märksa ökonoomsemalt.

Kõik sai alguse sellest, kui Ratso hakkas magistritöö jaoks uurima hapniku elektrokatalüütilist redutseerumist. See on praegu tööstuses üks kõige tähtsamaid elektrokeemilisi reaktsioone, mis toimub madalatemperatuursete kütuseelementide katoodil ehk keemilise vooluallika elektroodil.

Just selle protsessi aeglus on peamine põhjus, miks muidu tõhusaks peetud ja paljukiidetud kütuseelemendist pole ikka veel saanud laiatarbekaupa.

Paraku vajavad madalatemperatuursed kütuseelemendid oma tööks, sealhulgas hapniku elektrokatalüütiliseks redutseerumiseks, väga head reaktsiooni kiirendavat materjali ehk elektrokatalüsaatorit.

Praegu kasutatakse selleks plaatina, aga see väärismetall on teatavasti kullaga samas hinnaklassis ja ajab kütuseelemendi hinna väga kõrgeks.

Plaatinaga kaasneb veel üks suur puudus. Kui kogu maailmas hakataks sellest tootma hulganisti kütuseelemente, muutuks selle suurtes kogustes kättesaamine väga keeruliseks. Nimelt asub üle 80% maailma plaatina varudest Lõuna-Aafrikas Bushveldis, kus maapinnale kõige lähematest varudest on märkimisväärne osa juba välja kaevatud.

Ratso uuris oma magistritöös, kuidas plaatina asendada lämmastiku ja siirdemetallidega dopeeritud süsinik-nanotorudega.

«Süsinik-nanotorud on süsiniku vorm, mis sarnaneb üldtuntud grafiidile,» selgitas Ratso. «Kui grafiidile on iseloomulik planaarne grafeeni kihtidest koosnev struktuur, siis süsinik-nanotorude puhul on grafeeni kihid justkui rulli keeratud. Nii moodustuvad mõnekümne nanomeetrise läbimõõduga torukesed.»

Keemilist protsessi dopeerimist kirjeldas ta nii: «Lämmastiku ja siirdemetallidega dopeerimise puhul asendatakse grafeeni kihtides mõned süsinikuaatomid lämmastiku ja metallidega. See annabki süsinik-nanotorudele katalüsaatorina suure aktiivsuse.»

Võimas hinnavõit

Ratso kasutas katalüsaatori valmistamisel lämmastiku allikana ditsüaandiamiidi. Seda ainet lisatakse väetistele ja selle kilohind jääb mõne euro kanti.

Võrdluseks ütleb Ratso, et plaatina ühe untsi ehk 31,1 grammi hind on praegu ligi 1000 dollarit ja et ühe vesinikauto kütuseelemendi tarvis kulub seda 30–60 grammi. Kui tartlase loodud uudne katalüsaator jõuaks masstootmisse, oleks selle hind seni kasutatavatest variantidest oluliselt odavam.

Uut katalüsaatori materjali on juba katsetatud Soomes Aalto Ülikoolis ja USA-s Arizona Osariigi Ülikoolis (ASU).

Sealsed teadlased kasutasid eestlase odavat süsinik-nanotorudest katalüsaatorit olemasolevates kütuseelementides ja leidsid, et Ratso oma töötab sama hästi kui kallid plaatinakatalüsaatorid.

«Katsete tulemused tõestasid, et tegemist on lootustandva alternatiiviga,» kinnitas keemiamagister.

Ta jätkab enda loodud süsinik-nanotorude uurimist doktorantuuris ja püüab kasvatada nende katalüütilist aktiivsust plaatina omast veelgi suuremaks. Peale selle tahab ta parandada süsinik-nanotorude stabiilsust, et neid saaks päriselt hakata kasutama kütuseelementide katalüsaatoritena.

Artikkel ilmus ka TÜ ja ERR-i ühises teadusportaalis ERR Novaator.

Katre Tatrik

Novaatori peatoimetaja
katre.tatrik [at] ut.ee

Jaga artiklit