LU zinātnieki teorētiskajos pētījumos veikuši aprēķinus jauniem materiāliem 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 Latvijas Universitātes Cietvielu fizikas institūta Cietvielu elektronisko struktūru datormodelēšanas laboratorijā – teorētiski, un Enerģijas iegūšanas un uzkrāšanas materiālu laboratorijā – praktiski,” par pētījumiem stāsta LU CFI vadošais pētnieks Jānis Kleperis.

Pētījumos ietilpst desmit LZA korespondētājlocekļa, LU CFI vadošā pētnieka Roberta Eglīša un viņa vietējo un ārzemju partneru raksti, kas publicēti 2018.–2020. gadu periodā, bet pētījumi un ieguldītais darbs sniedzas vēl vairāku gadu garumā. Teorētisko pētījumu rezultāti iegūti vairākos projektos un ir par dažādiem materiāliem dažādos pielietojumos, bet, kā min J. Kleperis, vispopulārākais pētījums desmit teorētisko rakstu kopā ir saistīts ar elektrodu materiāliem litija jonu baterijām.

Publikācijās pētnieki uzmanību velta dažādiem materiāliem

Publikācijā, kas veltīta litija jonu baterijām, ir par katodmateriālu, kuram varētu būt lielāks katoda potenciāls kā tagad izmantotām – nevis tradicionālie 3.5–4 Volti, bet visi 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.

Tāds materiāls tika sintezēts pagājušā gadsimta beigās, tiesa, praktiskiem pielietojumiem vēl nederīgs. Ka tas arī teorētiski iespējams, pirmo reizi pierādīts Roberta Eglīša darbos. Runa ir par špineļa tipa struktūras materiālu, kuram, atkarībā no sastāva, izrēķinātie spriegumi elementārai šūnai attiecīgi bija 3.95 V, 5 V, 4.47 V, 4.19 V un 3.99 V. 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, kuri 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 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. No šāda jauna materiāla varētu veidot, piemēram, plānas, izturīgas un elastīgas lapas mākslīgam kokam, kas vējā purinātos, līdzīgi kā apsei, un tādā veidā ražotu elektrību.

Vēl viens teorētisks pētījums ir par katalizatoru CO₂ saistīšanai. Lai mazinātu globālās klimata pārmaiņas, cilvēces ekonomiskās darbības rezultātā radītā oglekļa dioksīda koncentrācija atmosfērā jāsamazina. Pētījumā konstruēts stabils organisks niķeļa katalizators CO₂ aktivēšanai priekš arilcinka reaģenta karboksilēšanas, kā arī teorētiski pamatotas šī procesa reakcijas.

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. J. Kleperis stāsta, ka jaunās tehnoloģijas būtu domātas dažādiem mērķiem – gan kā ieguldījums tautsaimniecībā, gan kā atvieglojums cilvēkiem ikdienas dzīvē. Taču realitātē jaunus materiālus praksē, ja laimējas, iespējas ieviest  4–5 gadu laikā, bet pārsvarā jārēķinās, ka varētu paiet pat 10 vai 15 gadi.

Nākotnē plānots pētīt arī inovatīvu veidu plastmasas iegūšanai

„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 J. 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. Un pašreiz plānojam veikt elektrokatalītisku CO₂ reformēšanu speciālā šūnā, kas ir uz speciāla ATR kristāla spektrometrā,” skaisto zinātnieks.