The structure and H2 diffusion in porous carbide-derived carbon particles

Doktoritöö. 

Sari: Dissertationes chimicae Universitatis Tartuensis ; 209.

Aktiveeritud süsiniku, mida kasutatakse toidumürgistuse raviks, leiab apteegiriiulitelt. See on peamiselt süsinikust koosnev materjal, mis sisaldab palju imeväikeseid augukesi ja avausi ehk poore. Need poorid moodustuvad kaardus ja defektsete grafeenist koosnevate lehekeste (ehk ühekihilise grafiidi) kihtide vahele. Aktiveeritud söega laias laastus sarnaste omadustega poorseid materjale kasutatakse palju ka muudes rakendustes. Üks põnevamaid neist on seotud energia salvestamisega. Nimelt on poorne süsinik keemiliselt üsna stabiilne, samas odav materjal, mis juhib hästi elektrit. Tänu nendele omadustele sobib poorne süsinik hästi energiasalvestus ja -muundamisseadmete nagu patareide, polümeerelektrolüütmembraankütuseelementide ja superkondensaatorite elektroodimaterjaliks. Tartu Ülikooli Füüsikalise keemia õppetoolis on sünteesitud ja elektroodimaterjalidena katsetatud tohutul hulgal eri sorte poorseid süsinikke. Üks süsinikmaterjalide liike, mida on süstemaatiliselt uuritud, on karbiididest sünteesitud süsinikmaterjalid. Karbiidid on ühendid, mis koosnevad tüüpiliselt kahest elemendist, millest üks on süsinik. Üks viise, kuidas karbiidist saab puhast süsinikku sünteesida, on panna valitud karbiid kõrgel temperatuuril (ehk sünteesitemperatuuril) reageerima klooriga. Muud reaktsioonisaadused uhutakse gaasivoos minema, reaktsiooninõusse jääb alles väga spetsiifiliste omadustega süsinikmaterjal. Mõnes mõttes võib sellest süsinikamaterjalist mõelda, kui algse karbiidi “skeletist”. Näiteks superkondensaatoreid tootev Eesti ettevõte Skeleton kasutab oma toodetes osaliselt just karbiidist sünteesitud süsinikmaterjale. Selles doktoritöös uuriti, kuidas muutub karbiidist sünteesitud süsiniku struktuur, kui sünteesitemperatuur on erinev või kuidas mõjutab struktuuri see, milline lähtekarbiid valiti. Selgus, et kui valitakse kõrgem sünteesitemperatuur, siis süsiniku sisse moodustuvad laiemad, vähem defektsed grafeenikihid. Osade lähtekarbiidide (Mo2C, VC) puhul kasvas sünteesitemperatuuri suurenedes ka graafeenikihtide virna kõrgus, kuid enamikes karbiisist sünteesitud süsinikes, mida uuriti, grafeenikihtide hulk sünteesitemperatuurist ei sõltunud. Molübdeenkarbiidist sünteesitud süsinike poorset struktuuri, mis muutub sünteesitemperatuuriga väga palju, vaadeldi lähemalt väikesenurgahajumise meetoditega. Selgus, et sünteesitemperatuuri kasvades keskmine poori läbimõõt suurenes ja moodustusid järjest siledamad ja rohkem pilu-kujulised poorid. Veel uuriti, kuidas karbiidist sünteesitud süsiniku poorne struktuur mõjutab seda, kui hästi lõksustab süsinikmaterjal vesiniku molekule. Selgus, et väike kogus vesinikku ränikarbiidist sünteesitud süsiniku poorides, oli tugevalt kinnipeetud, sisuliselt liikumatu, ka suhteliselt kõrgel temperatuuril 120 K (vesinik veeldub 20 K juures). Väike kogus vesinikku titaankarbiidist sünteesitud süsiniku poorides käitus sarnaselt vedel vesinikuga temperatuuril kuni 70 K. Seevastu väike kogus vesinikku, mis oli adsorbeerunud molübdeenkarbiidist sünteesitud süsiniku poorides ei olnud kuigi tugevalt kinnipeetud ja selle difusioon oli üsna kiire ka madalatel temperatuuridel. Selgus, et vesiniku lõksustamisel on oluline alla 1 nm läbimõõduga pooride hulk, mis on ränikarbiidist sünteesitud süsinikmaterjalis suurim. Veel on oluline asjaolu ka poori kuju, sest kuigi 1 nm pooride hulk oli nii räni kui ka titaankarbiidist sünteesitud süsinikes sarnane, oli ränikarbiidist sünteesitud süsinikus, mille keskmine poori kuju on sfääriline, H2 tugevamalt lõksustunud.