Hyppää pääsisältöön

Sähkökatkoihin varautuminen yliopistossa

Ohran kuori.

MSc Ondřej Haluska, väitös 28.1.2023: Ohran kuorista saadaan arvokasta nanorakenteista piikarbidia

Sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa, Kuopion kampuksella.

Mikä on väitöstutkimuksesi aihe? Miksi aihepiiriä on tärkeää tutkia? 

Ihmisten toiminta ja laajamittainen luonnonvarojen käyttö johtavat luonnon saastumiseen, joka vaarantaa sekä ihmisten, että ympäristön hyvinvoinnin. Tästä johtuen on tärkeää kehittää uusia toimintatapoja, kuten materiaalien tuotantoa, jotka tähtäävät saastumisen vähentämiseen. Näiden toimintatapojen tulisi olla ympäristöystävällisyyden lisäksi kestävällä pohjalla ja yhteiskunnalle tuottoisia. Yksi tällainen toimintatapa on kiertotalous, jossa resursseja pyritään käyttämään mahdollisimman tehokkaasti ja minimoimaan ympäristön saastuminen. Tärkeänä osana kiertotaloutta on materiaalien, kuten teollisuuden ja maatalouden sivuvirtojen, mahdollisimman kokonaisvaltainen hyödyntäminen, jossa materiaalin kaikki osat pyritään hyödyntämään jalostamalla niistä muita arvokkaita materiaaleja tai hyödyntämällä ne energian tuotannossa.

Tutkimuksessani käytin raaka-aineena ohran kuoria, ohran jyvien prosessoinnissa syntyvää sivuvirtaa. Ohran kuoret sisältävät runsaasti nanorakenteista piidioksidia, josta voidaan edelleen valmistaa nanorakenteista piikarbidia. Nanorakenteisen piikarbidin pieni, alle 100 nanometrin raekoko antaa sille erinomaisia ominaisuuksia. Valitettavasti sen laajamittainen valmistaminen on kuitenkin nykyisin haastavaa, ja sen vuoksi tutkin väitöskirjassani, miten piikarbidia voidaan valmistaa ohran kuorista. Tutkin muun muassa miten ohran kuorien orgaanisen materian hyödyntäminen polttamalla energiaksi tai hidaspyrolyysissä vaikuttaa siinä olevan nanorakenteisen piidioksidin ja siitä valmistetun piikarbidin laatuun. Hyödynsin ohran kuorista valmistettua ja funktionalisoitua nanorakenteista piikarbidia mangaanin poistamiseen jätevesistä. Tutkin myös nanorakenteisen piikarbidin käyttöä grafiittisen hiilen valmistuksessa, jonka ominaisuuksia tutkin litium-ioniakkujen anodimateriaalina synteettisen grafiitin sijasta.

Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tulokset tai havainnot?

Tutkimuksessa kehitettiin menetelmä, jolla vähäarvoisista ohran kuorista voidaan valmistaa kiertotalouden periaatteiden mukaisesti arvokasta nanorakenteista piikarbidia. Ensin ohran kuorista eristettiin nanorakenteinen piidioksidi. Ohran kuorien sisältämän orgaanisen aineksen hyödyntämiseen käytetty menetelmä vaikutti voimakkaasti kuorista eristetyn nanorakenteisen piidioksidin ominaisuuksiin. Korkealaatuisinta amorfista nanorakenteista piidioksidia saatiin, kun kuorien sisältämät epäorganiset epäpuhtaudet pestiin pois ennen kuin orgaaninen aines poistettiin korkeassa lämpötilassa. Toisaalta ohran kuorien hidaspyrolyysillä ohran kuorista voitiin tuottaa orgaanisia nesteitä, se pienensi jatkokäsiteltävän materiaalin tilavuutta ja vaikutti vain vähän kuorien sisältämän nanorakenteisen piidioksidin ominaisuuksiin.

Ohran kuorista eristetystä piidioksidista valmistettiin nanorakenteista piikarbidia. Tämä piikarbidi funktionalisoitiin bisfosfonaateilla ja sen osoitettiin soveltuvan adsorbentiksi, jolla jätevesistä voidaan poistaa raskasmetalleja. Adsorbentti toimi laajalla pH-alueella ja sen adsorptiokapasiteetti, kemiallinen stabiilius ja uudelleenkäytettävyys olivat korkealla tasolla. Lisäksi se oli kohtuullisen selektiivinen adsorboimaan mangaania.

Kehitettyä nanorakenteista piikarbidia voidaan käyttää muissakin sovelluksissa, joissa vaaditaan hyvää kemiallista stabiiliutta ja korkeaa pinta-alaa. Väitöskirjassa nanorakenteisen piikarbidin ja hiilen seosta käytettiin myös grafiittisen hiilen tuotannossa. Tuotettu grafiittinen hiili puolestaan osoitti lupaavia ominaisuuksia litium-ioniakkujen anodimateriaalina erityisesti, kun akuilta vaadittiin kykyä kestää suuria virtoja, sillä se kykeni säilyttämään kapasiteettinsa korkeilla virroilla paremmin kuin perinteisesti käytetty grafiitti. Ollakseen kilpailukykyinen nykyisten grafiittimateriaalien kanssa, tutkimuksessa kehitettyä materiaalia tulee kuitenkin yhä parantaa alkuperäisen virtatehokkuuden osalta, ja sen kapasiteetin tulisi säilyä paremmin useiden lataus-purkautumis-syklien aikana.

Mitkä ovat väitöstutkimuksesi keskeiset tutkimusmenetelmät ja -aineistot?

Nanorakenteinen piidioksidi eristettiin ohran kuorista kahdessa osassa. Kuoret pestiin ensin hapolla, jonka jälkeen ne tuhkattiin. Nanorakenteinen piikarbidi puolestaan syntetisoitiin eristetystä piidioksidista käyttäen magnesiotermista pelkistystä itse-etenevän korkean lämpötilan synteesin muodossa. Piikarbidi funktionalisoitiin bisfosfonaateilla ja sitä käytettiin raskasmetallien keräämiseen jätevedestä. Materiaalin adsorptio-ominaisuuksia tutkittiin sekä erä-, että läpivirtausprosessissa. Vesien metallipitoisuudet määritettiin adsorptiota ennen ja sen jälkeen induktiivisesti kytketyllä plasmamassaspektrometrillä.

Nanorakenteisesta piikarbidista valmistettiin edelleen grafiittista hiiltä induktiokuumentamalla materiaalia tavallisessa ilmanpaineessa inertissä kaasussa. Valmistetun grafiittisen hiilen ominaisuuksia litiumioniakkujen anodimateriaalina arvioitiin sekä puoli-, että kokokennoilla. Tutkimusmenetelminä käytettiin syklistä voltemmetriaa, galvanostaattista syklausta, elektrokemiallista impedanssispektroskopiaa sekä elinkaaristabiiliustestiä. Materiaalin ominaisuudet kartoitettiin kattavasti useilla menetelmillä kuten typpiadsorptiolla, röntgendiffraktiolla, raman-spektroskopialla ja energiaerotteisella röntgenspektroskoopilla varustetulla pyyhkäisyelektronimikroskoopilla.

MSc Ondřej Haluskan sovelletun fysiikan alaan kuuluva väitöskirja Plant-based nanostructured silicon carbide; The cases of dissolved heavy metal removal and Li-ion battery anodes tarkastetaan luonnontieteiden, metsätieteiden ja tekniikan tiedekunnassa, Kuopion kampuksella. Vastaväittäjänä toimii professori Olli Ikkala, Aalto-yliopisto, ja kustoksena yliopistotutkija Joakim Riikonen, Itä-Suomen yliopisto.