Väitös

Titaanidioksidi varastoi auringon energiaa vetymolekyylien sidoksiin

Markku Hannula
Auringon säteilyteho maanpinnalla riittäisi helposti kattamaan koko ihmiskunnan energiatarpeen. Tuotantokapasiteetti kuitenkin vaihtelee merkittävästi sijainnin sekä vuorokauden- ja vuodenaikojen mukaan, jolloin aurinkoenergian tehokas hyödyntämien vaatii sen säilömistä ja siirtämistä paikasta toiseen. Valosähkökemialliseen veden pilkkomiseen perustuvassa menetelmässä auringon energia muunnetaan vetymolekyylien kemialliseksi energiaksi, mikä mahdollistaa suuren energiatiheyden ja näin ollen energian tehokkaan varastoinnin.

DI Markku Hannula tutki väitöskirjassaan veden pilkkomisreaktiossa tarvittavien valoelektrodipintojen kehittämistä, erityisesti titaanidioksidiohutkalvojen käyttöä valoa absorboivana materiaalina sekä muiden puolijohdemateriaalien kemiallista suojaamista titaanidioksidilla.

Luonnossa vihreät kasvit keräävät auringon valoa tuottaakseen hiilidioksidista ja vedestä sokeria ja happea. Tämä fotosynteesiksi kutsuttu prosessi on kasvien tapa varastoida auringon energiaa niille sopivampaan muotoon. Luonnon oma menetelmä on kuitenkin valitettavan tehoton, auringon energiasta saadaan kerättyä talteen maksimissaan noin yksi prosentti.

Hyötysuhteen parantamiseksi tutkimusryhmät eripuolilla maailmaa kehittävät keinotekoiseksi fotosynteesiksi kutsuttua menetelmää, jossa auringon valo absorboituu synteettisesti tuotettuihin valoaktiivisiin materiaaleihin ja varastoituu niiden pinnalla tapahtuvien reaktioiden kautta molekyylien kemialliseksi energiaksi. Yksi tällainen menetelmä on Hannulan tutkima vesimolekyylien pilkkominen vedyksi ja hapeksi.

Nykyiset aurinkoenergian keräysjärjestelmät perustuvat pääasiassa aurinkokennoihin, joissa valo muunnetaan suoraan sähkövirraksi ja syötetään saman tien sähköverkkoon. Tällainen energiantuotanto vaatii kuitenkin paljon säätövoimaa kulutus- ja tuotantovaihteluiden tasaamiseksi. Keinotekoisessa fotosynteesissä vedyn tai hiilivetypohjaisten molekyylien kemialliset sidokset toimivat energiavarastona.

- Vetymolekyylien kemiallinen energia on erinomainen keino energian varastointiin, sillä energiatiheys massayksikköä kohden on yli 100-kertainen tämän hetken parhaimpiin akkuteknologioihin verrattuna, Hannula kertoo.

Suuri energiatiheys mahdollistaa puhtaan aurinkoenergian keräämisen varastoihin silloin, kun auringonpaistetta on tarjolla ja toisaalta energian siirron varastoista kuluttajille silloin, kun energialle on eniten kysyntää.

Hannula tutki erityisesti titaanidioksidiohutkalvojen käyttöä valoa absorboivana materiaalina sekä muiden puolijohdemateriaalien kemiallista suojaamista titaanidioksidilla.

- Vaikka kaikki eivät välttämättä sitä tiedä, titaanidioksidi on meille hyvinkin arkipäiväinen materiaali. Sitä käytetään optisten ominaisuuksiensa vuoksi esimerkiksi maaleissa valkoisena väriaineena sekä aurinkovoiteissa absorboimaan haitallista UV-säteilyä, Hannula sanoo.

Optisten ominaisuuksiensa ansiosta titaanidioksidi on kiinnostava materiaali myös aurinkoenergian keräämisessä. Sopivalla ominaisuuksien muokkaamisella voidaan säätää titaanidioksidin absorboimaa aallonpituusaluetta. Lisäksi titaanidioksidi on kemiallisesti kestävää, jolloin sitä voidaan käyttää valoelektrodien pintamateriaalina vedenpilkkomisreaktion vaatimissa hapettavissa ja syövyttävissä olosuhteissa.

Hannulan tutkimat titaanidioksidiohutkalvot on valmistettu atomikerroskasvatuksella. Tällä alun perin Suomessa kehitetyllä menetelmällä pystytään tuottamaan tarkasti määriteltyjä, vain muutaman atomikerroksen paksuisia ohutkalvoja. Kalvot ovat koostumukseltaan erittäin tasalaatuisia. Lisäksi kasvatusparametreja sekä kalvon jälkikäsittelyä muuttamalla kalvon kemiallisiin ja sähköisiin ominaisuuksiin voidaan vaikuttaa merkittävästi, jolloin ne saadaan optimoitua vedenpilkkomisreaktion vaatimuksia vastaaviksi.

Markku Hannula on kotoisin Eurajoelta. Hän on suorittanut diplomi-insinöörin tutkinnon Tampereen yliopiston (aiemmin Tampereen teknillinen yliopisto) pintatieteen tutkimusryhmässä. Väitöksen jälkeen Hannula jatkaa valoaktiivisten valoelektrodimateriaalinen tutkimusta samassa ryhmässä.

Diplomi-insinööri Markku Hannulan fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Atomic Layer Deposited Titanium Dioxide Thin Films for Photoelectrochemical Water Splitting tarkastetaan julkisesti Tampereen yliopiston tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnassa maanantaina 25.11.2019 kello 12 alkaen Hervannan kampuksella Sähkötalon salissa SA203, Korkeakoulunkatu 3. Vastaväittäjänä toimii Lundin yliopiston fysiikan laitoksen johtaja professori Joachim Schnadt. Kustoksena toimii professori Mika Valden tekniikan ja luonnontieteiden tiedekunnasta.

Väitöskirjaan voi tutustua osoitteessa http://urn.fi/URN:ISBN:978-952-03-1333-3