Mustesuihkulla parempia polttokennoja

Aalto-yliopistossa tohtorikoulutettavana tutkijana työskentelevä Sanaz Zarabi voitti viime syksynä jatko-opiskelijoille tarkoitetun Millennium Graduate Student -ideakilpailun. Hän esitteli kehittämäänsä mustesuihkutulostuksen sovellusta, jolla tuotetaan aktiivisia pintoja Aalto-yliopistossa kehitteillä olevalle kiinteäoksidipolttokennolle. Samoja periaatteita voidaan soveltaa myös akkujen, superkondensaattorien, sensorien ja integroitujen piirien valmistuksessa.

– Me työskentelemme sähköä vedystä tuottavan polttokennon kanssa, mutta samaa kennoa voidaan ajaa myös päinvastaiseen suuntaan ja tuottaa vetyä sähköllä. Molemmat käyttötavat hyödyntävät lähes samoja pintareaktioita, Zarabi kertoo.

Tulostettavan aktiivisen pinnan muodostavat keraamiset partikkelit, jotka ovat harvinaisten maametallien oksideja. Ne sekoitetaan tulostusominaisuuksia parantavien lisäaineiden kanssa musteseokseen, joka tulostetaan pohjalevylle samalla lailla kuin millä hyvänsä mustesuihkutulostimella.

– Tulostimia on ollut jo vaikka kuinka kauan, ja tällaisiin keraamisia pintoja tulostaviin sovelluksiin sitä on alettu käyttää erilaisissa akateemisissa hankkeissa 15 vuotta sitten, Zarabi kertoo.

Tulostuvuutta ja suorituskykyä

Suurin haaste on saada keraamiset partikkelit tulostimen suuttimien läpi. 

– Suuttimien kanavat ovat ohuita, me käytämme 21,15 µm:n suuttimia. Jos partikkelit ovat tuota suurempia, suutin tukkeutuu. Ja jos ne taas ovat liian pieniä, ne takertuvat toisiinsa ja tukkivat siinäkin tapauksissa suuttimet. Koon on oltava juuri oikea, se on suurin haasteemme.

Ja vaikka muste tulostuisi hyvin, se ei takaa, että sillä aikaansaatu kalvo toimisi optimaalisesti halutussa tarkoituksessa. 

– Musteseosta säädettäessä pitää ajatella myös lopputuloksen toimivuutta. Se ikkuna, jossa nämä kummatkin vaatimukset toteutuvat samanaikaisesti, on todella pieni.

Zarabi on työskennellyt hankkeen parissa kesästä 2021 ja uskoo saavansa tekeillä olevan väitöskirjansa valmiiksi ensi vuodenvaihteen aikoihin. Hän kehuu saaneensa hyvän lähdön tutkimustyölleen ohjaajansa professori Imran Asgharin vauhdittamana. Opinnot iranilaisessa Qazvinin eliittiyliopistossa tarjosivat vahvan taustan sähkökemiallisen konversion ja energian varastoinnin alueelta.

Zarabi on löytänyt musteseokset kahdelle katodimateriaalille. Ensimmäisestä on jo julkaistu artikkeli ja toinen on tekeillä.

– Olen testannut vaihtoehtoja pitämällä yhden parametrin kerrallaan paikallaan ja kokeilemalla sille muista parametreistä kaikki vaihtoehdot, ja käymällä sitten kaikki muutkin parametrit samalla lailla läpi. Esimerkiksi parhaillaan tekeillä olevassa artikkelissa optimoimme ensin dispergointiaineen painoprosentin ja sen jälkeen tulostusparametrit, kuten tulostettavan pinnan paksuuden, Zarabi kertoo.

– Kiinnostavin ja vähän yllättäväkin havainto oli, että mustesuihkutulostus eräällä tavalla virittää tulostetun pinnan niin, että aktiivista materiaalia tarvitaan vähemmän, mutta lopputuloksen toimivuus on parempi kuin tavanomaisilla menetelmillä. Uskon, että ideani palkittiin juuri tästä syystä.

Harvinaisia maametalleja on vain rajoitetusti saatavilla. Mustesuihkutulostamalla on mahdollista pienentää niiden tarvetta ja samanaikaisesti parantaa suorituskykyä sovelluksissa, joissa tarvitaan pintareaktioita. 

– Olen verrannut tuloksiamme tavanomaisilla drop casting ja spin coating -teknologioilla saatuihin tuloksiin täysin samoilla materiaaleilla ja olen nähnyt, miten valtavan paljon parempaan tulokseen ja pinnan rakenteeseen mustesuihkutulostuksella päästään.