Kütuseelement on seade, milles vesiniku ja hapniku ühinemisel tekib elektrienergia. Selliseid kütuseelemente kasutatakse vesinikautodes. Seega aitaks kütuseelementide hinna langus kaasa ka praegu ülikallite kuid väga keskkonnasäästlike vesinikautode laialdasele kasutamisele. 

Toyota Mirai, Hyundai Nexo ning Honda Clarity Fuel Cell on näited vesinikautodest, mis juba praegu mitmel pool maailmas ringi vuravad.

Nende masinate kütuseelementides kasutatakse keemilise reaktsiooni kiirendamiseks ülikallil plaatinal põhinevat katalüsaatorit.

Võimalik, et tulevikus on need ja uuemadki mudelid odavamad kui kunagi varem ning liiguvad hoopis tänu Eestis loodud madalahinnalistele süsinik-nanotorudest katalüsaatoritele.

Lämmastiku ning siirdemetallidega dopeeritud süsinik-nanotorud. Autor: Rando Saar

Edukas magistritöö

Artiklid kõrgetasemelistes rahvusvahelistes teadusajakirjades on seni olnud tavapärane osa doktoritööst, kuid Tartu Ülikooli keemik Sander Ratso viis samale tasemele ka enda magistritöö. Veelgi enam – tema arendustöö võib lahendada suure probleemi, millega kütuseelemente tootev tööstus praegu silmitsi seisab.

Ratso, noor ja maailma paremaks paigaks muuta sooviv keemik, on loonud materjali, mis võiks kütuseelementide tootmise kordi odavamaks muuta.

Ka Soomes ja USA-s tehtud testide tulemused kinnitavad, et tegemist on lootustandva alternatiiviga, mis võib kütuseelementide tootmise märksa ökonoomsemaks muuta.

Kõik sai alguse sellest, kui Sander Ratso hakkas magistritöö jaoks uurima hapniku elektrokatalüütilist redutseerumist. See on praegusel ajal üks kõige tähtsamaid elektrokeemilisi reaktsioone. Selline reaktsioon toimub madalatemperatuursete kütuseelementide katoodil ehk keemilise vooluallika elektroodil.

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

Meeldetuletuseks:

• Kütuseelement on seade, mis võimaldab keemilise energia otsest muundamist elektrienergiaks.
• Kütuseelemendil kui keemilisel vooluallikal on suur eelis fossiilsete kütuste põletamisel põhinevate tehnoloogiate ees, sest element toodab energiat efektiivsemalt kui traditsioonilised lahendused.
• Viimasest ehk veelgi tähtsam on tõsiasi, et kütuseelement toodab energiat ilma saasteaineid ehk emissiooni tekitamata. Kütuseelemendil sõitva auto torust tuleb ainult veeauru.
• Madalatemperatuuriline kütuseelement vajab kütuseks puhast vesinikku või metanooli. Selliseid kütuseelemente saab kasutada mootorsõidukites, kodustes kütte- ja elektritootmissüsteemides ning kaasaskantavates elektritarvikutes, nagu näiteks nutitelefonid ja sülearvutid.

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

Praegu kasutatakse selleks plaatina. Kuid plaatina on teatavasti kullaga samas hinnaklassis olev väärismetall ning ajab seetõttu süsteemi hinna väga kõrgeks.

Plaatina kasutamisel on teinegi suur puudus. Juhul kui kogu maailm hakkaks sellest massiliselt kütuseelemente tootma, muutuks selle suurtes kogustes kättesaamine väga keeruliseks. Nimelt asub üle 80% maailma plaatinast Lõuna-Aafrika piirkonnas Bushveldi kompleksis ja suur osa maapinnale kõige lähemal olevatest varudest on sealt juba välja kaevandatud.

Magistritöös uuris Ratso ühte varianti plaatina asendamiseks. Ta valis selleks lämmastiku ning siirdemetallidega dopeeritud süsinik-nanotorud.

"Süsinik-nanotorud on süsiniku vorm, mis sarnaneb igapäevaselt tuntud 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 ning siirdemetallidega dopeerimise puhul asendatakse grafeeni kihtides mõned süsinikuaatomid lämmastiku ning metallidega ja see annabki süsinik-nanotorudele katalüsaatorina suure aktiivsuse." 

Tartu Ülikooli doktorant Sander Ratso näitab enda loodud uudset materjali. See on odav ja tõhus alternatiiv praegu kasutatavale ülikallil plaatinal põhinevale katalüsaatorile. Katalüsaatoreid kasutatakse kütuseelementides reaktsiooni kiirendamiseks. Autor: Katre Tatrik

Suur hinnavõit

Sander Ratso kasutas katalüsaatori valmistamisel lämmastikuallikana ditsüaandiamiidi. See on aine, mida lisatakse ka väetistele ja mille kilohind jääb mõne euro kanti.

Võrdluseks ütleb Ratso, et plaatina ühe untsi ehk umbes 31,1 grammi hind on praegu 1000 dollari ringis ja ühe vesinikauto kütuseelemendi tarvis kulub  seda väärismetalli ligi 30–60 grammi. 

Seega, kui tartlaste loodud uudne katalüsaator masstootmisse jõuaks, oleks selle hind seni kasutusel olevatest variantidest oluliselt odavam.

Uus katalüsaator-materjal on läbinud juba testid ka Soomes Aalto Ülikoolis ning USA-s Arizona Riiklikus Ülikoolis.

Sealsed teadlased katsetasid eestlaste odavat süsinik-nanotorudest katalüsaatorit praegu olemasolevates kütuseelementides ning leidsid, et Ratso oma toimib samaväärselt kallite kommertsiaalsete plaatinakatalüsaatoritega.

"Testide tulemused tõestasid, et tegemist on lootustandva alternatiiviga," kinnitas keemiamagister.

Ta jätkab enda loodud süsinik-nanotorude uurimist doktorantuuris ja püüab nende katalüütilist aktiivsust plaatinast veelgi kõrgemaks tõsta. Peale selle tahab ta parandada süsinik-nanotorude stabiilsust, et neid oleks võimalik ka päriselt kütuseelementide katalüsaatoritena kasutama hakata.

Kütuseelemendi testsüsteem Tartu Ülikooli elektrokatalüüsi laboris. Seadmega testitakse Ratso loodud uudset süsinik-nanotorudest, lämmastikust ja lihtsatest metallidest tehtud katalüsaatorit. Fotol hoiab Sander Ratso sama materjali näitlikustamiseks pintsettide vahel. Autor: Katre Tatrik

Kas tead?

Ratso magistritöö tulemused on ilmunud kolmes rahvusvahelises teadusajakirjas ning tema magistritöö pälvis 1. preemia möödunud aastasel üliõpilastööde riiklikul konkursil.

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

Ratso juhendaja Kaido Tammeveski töörühm Tartu Ülikooli keemia instituudis on saavutanud märkimisväärset edu kütuseelemendi katalüsaatorite uurimisel. Viimasel viiel aastal on rühm avaldatud sellel teemal ligi 50 teadusartiklit, millele on viidanud suur arv kolleege üle ilma.