Energiamateriaalien mikrotason ominaisuuksien ymmärtäminen avaa tien vihreämpiin energiaratkaisuihin (Väitös: MSc Mahdi Moghaddam, 15.12.2023, materiaalitekniikka)

Materiaalien rajapinnoilla on kriittinen vaikutus monien vihreän siirtymän teknologioiden kuten polttokennojen ja akkujen suorituskykyyn. Esimerkiksi yleistä virta-jännitevastetta parametrina käyttämällä ei kuitenkaan saada yksityiskohtaista tietoa kriittisissä rajapinnoissa tapahtuvien ilmiöiden vaikutuksesta laitteiden toimintaan.

Polttokennojen yksi kriittinen komponentti on polymeerielektrolyyttimembraani, joka erottaa kennon elektrodit toisistaan sekä kuljettaa sähkövirran ioneina elektrodilta toiselle. Tämä membraani on päällystetty katalyyttikerroksilla, jotta sähkökemialliset reaktiot tapahtuvat tehokkaasti. Reaktiossa hapesta ja vedystä syntyy vettä, eli vedyn sisältämä kemiallinen energia muutetaan sähköenergiaksi.

Väitöstutkimuksessa kehitetyssä menetelmässä katalyyttikerrosta tutkittiin hiusta ohuemmalla mikroelektrodilla, jolloin nähtiin miten kerroksen materiaalit vuorovaikuttavat hapen kanssa. Löydökset paljastivat, että nesteeseen upotettu katalyyttikerros sisälsikin yllättäen paljon kerrokseen kerääntynyttä happea. Kerrokseen kerääntynyt hapen määrä johtui polyelektrolyytin ja grafiittisen hiilen vuorovaikutuksesta. Tämä löydös herättää kysymyksiä siitä, miten katalyyttikerrokset tulisi suunnitella, jotta ilmiön avulla saataisiin parannettua polttokennojen suorituskykyä.

Moghaddam tutki myös energian varastointia kiinteisiin aineisiin virtausakuissa. Työssä kehitettiin termodynamiikkaan perustuva viitekehys, joka auttaa ymmärtämään kuinka tällainen virtausakku tulisi suunnitella.

- Kuvittele, että akkuun lisätään kiinteitä aineita parantamaan energianvarastointikapasiteettia. Osoitimme, että näiden boosterien toimiminen hyvin vaatii riittävän pinta-alan, joka voidaan toteuttaa huokoisessa rakenteessa. Toimintaa voidaan verrata vaikka keittiöön, jossa on paljon työskentelytasoja – enemmän tilaa tarkoittaa parempaa tehokkuutta, Moghaddam kertoo.

Moghaddam tiimeineen osoitti myös, että kiinteän materiaalin mikroskooppisella huokoisella rakenteella on merkittävä vaikutus siihen, kuinka nopeasti akkumateriaalia voidaan purkaa ja ladata. Työssä tutkittiin kupariheksasyanoferraattia energian varastointimateriaalina hyödyntäen sähkökemiallista pyyhkäisymikroskopiaa sekä optista mikroskopiaa. Tässä uudessa lähestymistavassa elektrodia käytettiin optisena peilinä, jolloin partikkelin varaus- ja purkureaktioita voitiin kuvantaa alle mikrometrin resoluutiolla.

- Löydökseemme korostavat huokoisten nanorakenteiden merkitystä ja antavat arvokasta ymmärrystä tehokkaampien energianvarastointimateriaalien suunnitteluun, sanoo Moghaddam.

Moghaddamin mukaan tutkimus ei ainoastaan edistä ymmärrystämme energiamateriaalien monimutkaisista prosesseista, vaan myös tasoittaa tietä energiamateriaalien tehokkaammalle ja kestävämmälle suunnittelulle, mikä johtaa puhtaampaan energianvarastointiin.

- Materiaalitekniikan tutkimus Turun yliopistossa alkoi syksyllä 2020, ja olen todella tyytyväinen, että ensimmäiset väitöskirjatutkijamme alkavat jo valmistua. Moghaddamin tutkimus tehtiin osana Suomen Akatemian rahoittamaa RedoxSolidFlow -projektia, ja tällä työllä oli tärkeä merkitys ryhmämme tutkimusmetodien kehityksessä. Työ myös avaa uusia tutkimussuuntia kehittämään teknologioita tuuli- ja aurinkovoiman varastoimiseksi, toteaa materiaalitekniikan professori Pekka Peljo.

*** 
MSc Mahdi Moghaddam esittää väitöskirjansa ”Scanning Electrochemical Microscopy Characterization of Energy Materials” julkisesti tarkastettavaksi Turun yliopistossa perjantaina 15.12.2023 klo 14.00 (Turun yliopisto, Publicum, Pub2, Turku). Yleisön on mahdollista seurata väitöstä myös etäyhteyden kautta.

Vastaväittäjänä toimii tohtori Dmitry Momotenko (Carl von Ossietzky Oldenburgin yliopisto, Saksa) ja kustoksena professori Pekka Peljo (Turun yliopisto). Tilaisuus on englanninkielinen. Väitöksen alana on materiaalitekniikka.