LU zinātnieki teorētiski raksturo jaunus materiālus enerģijas iegūšanai

"Enerģija ir mums visapkārt – teica Nikolā Tesla pagājušā gadsimta sākumā. Jāzina tikai, kādos materiālos to savākt un uzkrāt – sakām mēs 21. gadsimtā. Un šīs zināšanas nāk gan no teorētiskiem aprēķiniem, gan praktiskiem eksperimentiem laboratorijās, arī pie mums Cietvielu fizikas institūta Cietvielu elektronisko struktūru datormodelēšanas laboratorijā – teorētiski, un Enerģijas iegūšanas un uzkrāšanas materiālu laboratorijā – praktiski," par pētījumiem stāsta CFI vadošais pētnieks Jānis Kleperis (attēlā pa kreisi).

Pētījumos ietilpst desmit LZA korespondētājlocekļa, LU CFI vadošā pētnieka Roberta Eglīša un viņa vietējo un ārzemju partneru raksti, kas publicēti laika posmā no 2018. līdz 2020. gadam, bet pētījumi veikti vēl ilgākā laika posmā. Teorētisko pētījumu rezultāti iegūti vairākos projektos un ir par dažādiem materiāliem dažādos pielietojumos, bet, kā min Kleperis, vispopulārākais pētījums desmit teorētisko rakstu kopā ir saistīts ar elektrodu materiāliem litija jonu baterijām.

Publikācijā, kas veltīta litija jonu baterijām, ir par katodmateriālu, kuram varētu būt lielāks potenciāls kā tagad izmantotām – nevis tradicionālie 3,5–4 volti, bet 5 volti.

"Tāds materiāls tika sintezēts pagājušā gadsimta beigās, tiesa, praktiskiem pielietojumiem vēl nederīgs. Ka tas arī teorētiski iespējams, pirmo reizi pierādīts Roberta Eglīša darbos," skaidro pētnieks.

Runa ir par špineļa tipa struktūras materiālu, kuram, atkarībā no sastāva, izrēķinātie spriegumi elementārai šūnai attiecīgi bija 3,95 volti, 5 volti, 4,47 volti, 4,19 volti un 3,99 volti. Tas nozīmē, ka baterijas varētu atdod vairāk enerģijas un būt ilgtspējīgākas.

Viens no rakstiem veltīts arī organiskām saules baterijām, kas ir alternatīvs un ekoloģiski tīrs enerģijas avots. Bateriju pamatā ir organiska krāsviela, kas absorbē saules gaismas kvantus. Tie rada elektronu caurumu pāri, kuri ātri jāatdala, un to veic ar grafēnu modificēts titāna dioksīda klājums. Aprēķinos teorētiski izskaidrots, kā grafēns, saistoties pie titāna dioksīda, palielina fotoelektriskās konversijas efektivitāti organiskajās saules baterijās.

Cits raksts ir par modificētu grafīnu – jaunu un vēl eksperimentāli neiegūtu visplānāko oglekļa nanostruktūru materiālu ar unikālām īpašībām. Aprēķinos parādīts, ja to modificē ar bora un slāpekļa atomiem, tad tam parādās gigantisks pjezoelektriskais efekts.

Daļa no jauniem materiāliem, kuri tiek pētīti teorētiski, jau tiek praktiski arī sintezēti un testēti eksperimentāli gan institūtā, gan pie sadarbības partneriem ārzemēs, ar kuriem kopīgi tiek realizēti vai meklēti jauni projekti. Kleperis stāsta, ka jaunās tehnoloģijas būtu domātas dažādiem mērķiem – gan kā ieguldījums tautsaimniecībā, gan kā atvieglojums cilvēkiem ikdienas dzīvē. Taču jaunus materiālus praksē, ja laimējas, var ieviest četru vai piecu gadu laikā, bet pārsvarā jārēķinās ar 10 vai pat 15 gadiem.

"Šobrīd ar teorētiķu laboratorijas vadītāju Sergeju Piskunovu strādājam pie viena cita projekta par CO2 elektrokatalītisku reformēšanu ogļūdeņražu degvielā. Tātad CO2 varētu nākt no izmešiem gaisā, piemēram, dažādos skursteņos, kur attiecīgo vielu var arī viegli savākt un elektrokatalītiskā procesā pārveidot par etilēna oksīdu, kas ir pamata izejviela dažādu plastmasas izstrādājumu iegūšanai. Tad teorētiķi rēķina, kādās pakāpeniskās reakcijās piedalās CO2 molekula uz elektrokatalītiskā elektroda, līdz pārveidojas par galīgo ogļūdeņradi," stāsta Kleperis.

Pētnieki savukārt cenšas to pierādīt eksperimentāli. "Esam to jau pierādījuši, piemēram, ar gāzu analīzes metodēm, savācot no katoda elektrolīzes gāzes, bet vēl vēlamies pierādīt pa soļiem, izmantojot infrasarkanās atstarošanās spektroskopiju. Esam sarūpējuši aprīkojumu, kas derētu mūsu infrasarkanajam spektrometram. Pašreiz plānojam veikt elektrokatalītisku CO2 reformēšanu speciālā šūnā, kas ir uz speciāla ATR kristāla spektrometrā," skaidro zinātnieks.