Aavistukset fossiilisten polttoaineiden käytön kestämättömyydestä alkoivat voimistua jo 1973 öljykriisin jälkeen, ja huoli niiden vaikutuksista ympäristöön on lisääntynyt huomattavasti sen jälkeen. Ympäristön ja ilmastonmuutoksen ongelmien käsittely vaatii kipeästi uusiin energialähteisiin siirtymistä. Fossiiliset polttoaineet ovat pääasiallinen hiilidioksidin (CO2) päästölähde, mikä edistää kasvihuoneilmiön voimistumista ja ilmastonmuutosta, aiheuttaen vakavia ympäristövahinkoja. Vuonna 2022 maailmanlaajuiset CO2-päästöt saavuttivat 36,1 GtCO2, mikä viittaa siihen, että päästöjen huippua ei ole vielä saavutettu.

Uuden energiajärjestelmän kestävyyden takaa se, että teknologiat kehittyvät niin, että ne tuottavat vähähiilistä, kiertotalousperusteista tai jopa täysin hiilivapaata energiaa. Erityisesti uusiutuvat energialähteet, kuten aurinko- ja tuulivoima, tarjoavat merkittäviä etuja ympäristön kuormituksen vähentämisessä. Aurinkoenergia yksinään voisi periaatteessa kattaa koko maapallon energiatarpeet, sillä maapallo vastaanottaa noin 105 TW aurinkoenergiaa vuodessa, josta vain 36 % pääsee maahan. Jos vuoteen 2050 mennessä energiantarve nousee 30 TW:iin yhdeksän miljardin asukkaan tarpeisiin, riittäisi, että maapallon pinta-alasta peitettäisiin vain 1 % fotogalvaanisilla (PEC) soluilla, joiden konversioeffektisyys on 10 %. Tämä tekee fotonimuunnosteknologioista erittäin tärkeän osan tulevaisuuden energiajärjestelmissä, sillä ne tarjoavat turvallisen, runsaasti saatavilla olevan ja hiilivapaan energian tuottamisen mahdollisuuden.

Erityisesti vety (H2) nousee lupaavana puhtaan energian lähteenä. Sen korkea gravimetrinen energiatehokkuus (noin 120 MJ kg−1) ja yhteensopivuus nykyisen teollisuuden ja voimalaitosten infrastruktuurin kanssa tekevät siitä kilpailukykyisen vaihtoehdon perinteisille polttoaineille. Nykyisin lähes 95 % tuotetusta vedystä saadaan fossiilisista raaka-aineista, mutta tulevaisuudessa sen tuotannon siirtyminen uusiutuvaan, niin kutsuttuun vihreään vetyyn on elintärkeää, jotta voidaan vähentää kasvihuonekaasupäästöjä.

Vihreän vedyn tuotantoteknologioita ovat muun muassa vesielektrolyysi ja fotokatalyyttinen vesijaon prosessi. Aurinkovoiman hyödyntäminen vetykaasun tuottamisessa on merkittävä saavutus uusiutuvan energian kentällä, sillä se yhdistää aurinkoenergian ja veden käytön puhtaan polttoaineen tuottamiseen. Fotoelektrokemialliset (PEC) järjestelmät, jotka hyödyntävät aurinkoenergiaa vedyn tuottamiseen, tarjoavat huomattavia etuja. Näissä järjestelmissä valonsäteet absorboituvat puolijohdemateriaaleihin, mikä mahdollistaa fotogeenisten varauksenkuljettajien muodostumisen. Nämä varaukset voidaan erottaa ja ohjata sähköpiiriin, joka voi antaa ulkoisen jännitteen, joka tekee varauksen siirrosta kinettisesti mahdollista.

PEC-järjestelmä toimii kolmessa perusvaiheessa: ensinnäkin puolijohde absorboi valoa, sen jälkeen syntyy fotogeenisia varauksia, ja lopuksi näiden varauksien käyttö synnyttää redoksireaktion, jossa syntyy vetyä. Tämä reaktio tapahtuu puolijohteen ja elektrodin rajapinnassa, ja se voi tapahtua joko yksinkertaisessa järjestelmässä, jossa on yksi fotode, tai monimutkaisemmassa tandem-järjestelmässä, jossa hyödynnetään kahta fotodea. Tandem-järjestelmät voivat tuottaa sekä happea että vetyä ilman ulkoista jännitettä, koska fotodeiden Fermi-tasojen välinen ero luo itseensä jännitteen, joka riittää varauksenkuljettajien erotteluun ja energian tuottamiseen.

PEC-järjestelmien avulla voidaan siis tehokkaasti hyödyntää aurinkoenergiaa vedyn tuottamiseen ilman hiilidioksidipäästöjä, mikä tekee niistä tärkeän työkalun siirryttäessä kohti puhtaampaa energiatulevaisuutta. Uusien puolijohdemateriaalien tutkimus ja kehitys ovat keskeisiä komponentteja PEC-järjestelmien tehostamisessa ja laajentamisessa kaupalliseen käyttöön.

On tärkeää huomioida, että vaikka aurinko- ja tuulivoima ovat merkittäviä energialähteitä, ne eivät ole ainoat ratkaisut. Energian varastointiin tarvitaan kehittyneitä teknologioita, jotka mahdollistavat tuotetun energian tallentamisen ja jakelun silloin, kun kysyntä on suurta ja tuotanto alhaista. Vedyllä on tässä keskeinen rooli, sillä sitä voidaan varastoida ja kuljettaa pitkän ajan kuluessa ilman merkittäviä häviöitä. Tämän vuoksi vedyn tuotannon ja varastoinnin kehittäminen on yhtä tärkeää kuin aurinko- ja tuulivoiman laajentaminen.

Miten hybridi-superkondensaattorit yhdistävät eri varastointimekanismeja ja parantavat suorituskykyä?

Hybridi-superkondensaattorit (SC) ovat kehittyneitä energian varastointilaitteita, jotka yhdistävät kaksi erilaista varastointimekanismia: pseudo-kapasitanssin ja sähködoublet-kapasitanssin (EDL). Tämä yhdistelmä mahdollistaa korkeamman energian ja tehon tiheyden verrattuna perinteisiin superkondensaattoreihin, joissa on vain yksi varastointimekanismi. Hybridi-superkondensaattorit koostuvat kahdesta eri materiaalista, jotka tarjoavat erilaisia kapasitansseja – toinen tarjoaa suuremman EDL-kapasitanssin ja toinen suuremman pseudo-kapasitanssin. Tämä yhdistelmä parantaa laitteen suorituskykyä ja käyttöalueen laajuutta.

Pseudo-kapasitanssi syntyy, kun materiaalit, kuten metallioksidit (esimerkiksi mangaanioksidi ja vanadiinioksidi), johdattavat sähkövarauksia kemiallisen adsorptioprosessin kautta. Tässä prosessissa anionit, kuten Cl-, luovuttavat elektroneja ja muodostavat sähkökemiallisia vuorovaikutuksia materiaalin kanssa. Tällöin varauksia kerääntyy materiaaliin, mikä johtaa suurempaan kapasiteettiin. Tällaisia materiaaleja voidaan löytää muun muassa nanoporosisista hiilistä, johdattavista polymeereistä ja eri metallioksideista.

Sähködoublet-kapasitanssi (EDL) perustuu puolestaan yksinkertaisempaan fysikaaliseen prosessiin, jossa varaus muodostuu sähköisen kentän vaikutuksesta elektrodin pinnalle. Tämä prosessi ei ole yhtä monimutkainen kuin pseudo-kapasitanssi, mutta se tarjoaa erittäin nopean varauksen keräyksen ja purkamisen. EDL-kapasitanssi on yleisesti ottaen nopeampi ja vähemmän riippuvainen materiaalin kemiallisista vuorovaikutuksista.

Hybridi-superkondensaattorit hyödyntävät molempien prosessien etuja. Kun nämä kaksi mekanismia yhdistetään, negatiiviset tekijät, kuten kapasiteetin rajallinen kasvu ja pieni käyttöjännite, voidaan estää. Tämä parantaa laitteen suorituskykyä ja pidentää sen käyttöikää. Esimerkiksi perinteiset symmetriset superkondensaattorit, jotka perustuvat vain EDL-mekanismiin, pystyvät tyypillisesti toimimaan jännitteellä vain noin 2.7 volttia, mutta hybridi-superkondensaattorit voivat toimia jopa 3.8 voltin jännitteellä. Tämä parantaa energian tiheyttä kymmenkertaiseksi verrattuna symmetriseihin SC-laitteisiin.

Hybridi-superkondensaattoreiden rakenteelliset erot voivat myös vaikuttaa niiden toimintaan. Symmetriset hybridi-superkondensaattorit käyttävät kahta samanlaista elektrodimateriaalia, kun taas epäsymmetriset hybridi-superkondensaattorit yhdistävät eri materiaalit. Tällöin aktivoidun hiilen elektrodin yhdistäminen toisen materiaalin, kuten metallinoksidin tai johtavan polymeerin, kanssa voi luoda korkeamman kapasitanssin ja tehotiheyden. Vaikka tällaiset rakenteet tarjoavat parempia suorituskykyjä, niiden elinikä voi olla lyhyempi, koska jännite ja virranvaihtelut voivat vaikuttaa elektrodien rakenteellisiin muutoksiin.

Hybridi-superkondensaattorien etu verrattuna perinteisiin kapasitaattoreihin on niiden kyky yhdistää sekä pseudo-kapasitanssia että EDL-kapasitanssia, mikä luo laajemman käyttöjännitealueen ja parantaa energian varastointikykyä. Tämä mahdollistaa näiden laitteiden käytön monilla eri sovellusalueilla, kuten sähköajoneuvoissa, uusiutuvan energian varastoinnissa ja jopa kannettavissa laitteissa, joissa on suuri virrankulutus.

Tärkeää on myös ymmärtää, että hybridi-superkondensaattorien valmistusmateriaalien valinta ja synteesimenetelmät vaikuttavat merkittävästi laitteen suorituskykyyn. Esimerkiksi synteettiset menetelmät, kuten hydrotermisten ja lämpökemiallisten menetelmien käyttö, voivat ohjata materiaalin rakennetta ja parantaa sen sähkökemiallisia ominaisuuksia. Hyvä valmistusprosessi takaa, että elektrodimateriaalit, kuten ZnO-nanorakenteet ja metallioksidit, saavat optimaaliset fysikaaliset ja sähkökemialliset ominaisuudet, jotka tukevat korkeaa kapasiteettia ja pitkää käyttöikää.

Hybridi-superkondensaattorit yhdistävät perinteisten kondensaattorien ja akkujen parhaat puolet, mutta on tärkeää huomioida, että niiden elinikä saattaa olla lyhyempi kuin perinteisillä, vain EDL-periaatteella toimivilla kondensaattoreilla. Korkeammat jännitteet ja suuremmat energiamäärät voivat johtaa nopeampaan kulumiseen, joten suunnitteluvaiheessa on tärkeää ottaa huomioon materiaalien kestävyys ja käyttöolosuhteet.

Miten fotokatalyyttisiä materiaaleja luonnehditaan ja mitkä tekijät vaikuttavat niiden suorituskykyyn?

Fotokatalyyttisten materiaalien luonteen ymmärtäminen on keskeistä niiden tehokkuuden arvioimiseksi ympäristönsuojelukäytöissä. Yksi tärkeimmistä tekijöistä on pinnan erityisalueen määrittäminen, joka voi vaikuttaa merkittävästi fotokatalyysiin. Yksi yleisimmin käytetyistä menetelmistä pinnan erityisalueen mittaamiseen on BET-menetelmä (Brunauer-Emmett-Teller), joka perustuu kaasun adsorptioon kiinteillä pinnoilla ja jonka avulla voidaan laskea materiaalin erityispinta-ala typpikaasun adsorptioisotermien avulla 77 K:ssa. Tämä menetelmä ei ainoastaan tarjoa tietoa monokerroksisen tilavuuden ja erityispinta-alan laskemiseksi, vaan se mahdollistaa myös materiaalin aktiivisten pintojen määrän arvioimisen. Aktiviteetti, joka on fotokatalyyttisten reaktioiden pohja, liittyy suoraan materiaalin pinnan rakenteeseen ja sen aktiivisiin kohtiin.

Erilaiset adsorptioisotermit, kuten IV- ja V-tyypin isotermit, viittaavat materiaalin huokosrakenteeseen ja voivat antaa tietoa huokosten koosta ja jakautumisesta. IV-tyypin isotermejä esiintyy, kun kapillaarikondensaatio on läsnä, ja nämä isotermit ovat yleisiä monessa mesoporoosissa rakenteessa, kuten teollisissa adsorbenteissa ja epäorgaanisissa oksideissa. V-tyypin isotermejä tavataan puolestaan, kun materiaalin pinta-ala on erittäin pieni ja adsorptio- ja desorptioenergiat ovat hyvin alhaisia. Näiden erilaisten isotermien tutkimus auttaa tarkentamaan materiaalin rakenteellisia piirteitä ja sen kykyä adsorboida kaasuja.

IUPAC:n mukaan adsorptio-desorptiohystereesin neljä tyyppiä (H1, H2, H3 ja H4) voivat ilmestyä kiinteillä aineilla riippuen huokosrakenteen muodosta. Esimerkiksi H1-tyypin hystereesi on tyypillinen avonaisille sylinterimäisille huokosille, kun taas H2-hystereesi liittyy pulloon muotoisiin huokosiin. H3-tyypin hystereesi on taas ominaista pyramidimaisille huokosille ja H4-tyypin hystereesi pienille huokoisille materiaaleille, joissa huokoskoko on alle 1,3 nm. Näiden hystereesityyppien tutkiminen on tärkeää, koska se auttaa määrittämään materiaalin huokosten koon ja jakautumisen, joka puolestaan vaikuttaa materiaalin adsorptiokykyyn ja fotokatalyyttiseen aktiivisuuteen.

Hävitys- ja adsorptioisotermien avulla voidaan myös laskea huokosten säde ja jakautuminen. Tällöin käytetään muokattua Kelvinin yhtälöä ja BJH-menetelmää, joka mahdollistaa huokoskokoisten jakautumien laskemisen. Menetelmä jakaa isotermit erillisiin osiin ja laskee jokaiselle osalle tyypillisen huokoskokoisuuden ja tilavuuden. Tämä on tärkeää, koska fotokatalyyttisen materiaalin kyky adsorpoida ja reagoi ympäristön kaasuja on usein suoraan verrannollinen sen huokosrakenteeseen ja pinta-alaan.

Monissa tutkimuksissa on osoitettu, että fotokatalyyttinen suorituskyky paranee, kun materiaalin erityispinta-ala kasvaa. Esimerkiksi TiO2:lla on monenlaisia morfologioita, jotka voivat vaikuttaa sen SSA:han ja fotokatalyyttiseen tehoon. Bernardin tutkimuksessa on havaittu, että erityispinta-ala kasvaa lämpökäsittelyn aikana, mutta korkeammilla lämpötiloilla pinta-ala pienenee. Tämä viittaa siihen, että SSA:n kasvu ei ole aina suoraan yhteydessä fotokatalyyttisen suorituskyvyn parantamiseen, vaan se voi riippua myös materiaalin morfologiasta ja valmistusmenetelmästä.

Liu et al. havaitsivat, että TiO2:lla, jonka morfologiaa muokattiin eri synteesimenetelmillä, oli korkea SSA ja sen fotokatalyyttinen suorituskyky parani merkittävästi. He löysivät, että nanorakenteet, kuten M-TiO2, S-TiO2 ja P-TiO2, esittivät merkittäviä eroja SSA:ssa, joka oli 178.8 m2/g, 94.4 m2/g ja 48.9 m2/g. Erityisesti M-TiO2, jolla oli korkea SSA, saavutti lähes täydellisen fotokatalyyttisen suorituskyvyn, mikä osoittaa, että huokosrakenteen optimointi on tärkeää fotokatalyyttisten materiaalien tehokkuuden kannalta.

Vaikka korkeampi SSA parantaa usein fotokatalyyttistä suorituskykyä, on tärkeää huomata, että tämä ei ole aina yksinkertainen yhteys. Zheng et al. tutkivat BiPO4:ää ja havaitsivat, että erilaisilla morfologioilla oli erilaisia AAS-arvoja (aktivointipinta-ala). Erityisesti BPO-D, jonka AAS oli 0,27 m2/g, saavutti korkeamman konversion tehokkuuden kuin BPO-R, jonka AAS oli 2,90 m2/g. Tämä viittaa siihen, että fotokatalyyttinen suorituskyky ei perustu ainoastaan SSA:han, vaan myös materiaalin morfologian ja sen kemiallisiin ominaisuuksiin.

Toisin sanoen, vaikka SSA on tärkeä tekijä fotokatalyyttisten materiaalien suorituskyvyssä, ei voida olettaa, että suurempi pinta-ala aina tarkoittaa parempaa suorituskykyä. Materiaalin morfologia, huokosrakenne, aktiiviset pinnat ja synteesimenetelmät vaikuttavat kaikki yhdessä fotokatalyyttiseen tehokkuuteen.

Miten monimutkaiset funktiot ja laskennat liittyvät ei-Newtonilaisiin laskentoihin?
Miten maapallon topografia ja merivirrat vaikuttavat ilmastoon ja sääilmiöihin?
Kyberturvallisuuden erikoissanaston mallinnus ja siihen liittyvät lähestymistavat
Miten kasvisruokavalio voi parantaa hyvinvointiasi ja elämänlaatua?