Väitös, teknillinen fysiikka, MSc Jiali Sheng

Väitöskirjan nimi: Sub-nanometer engineering of transition-metal layered hydroxide electrocatalysts

Väittelijä: Jiali Sheng 
Vastaväittäjä: Professori Hermenegildo García Gómez, Universitat Politècnica de València, Espanja 
Kustos: Aalto-professori Olli Ikkala, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Vedestä uusiutuvalla sähköllä tuotettu vety voisi auttaa varastoimaan energiaa esimerkiksi tuuli- ja aurinkoenergiasta. Tämän prosessin tehostaminen vaatii elektrokatalyyttejä – materiaaleja, jotka kiihdyttävät reaktioita, joissa vesi hajoaa vedyksi ja hapeksi. 

Yksi haaste on tietää, mitkä katalyyttirakenteet toimivat hyvin. Toinen on ymmärtää, mikä muovaa näitä rakenteita niiden muodostuessa. Katalyyttirakenteiden muodostumisen ymmärtäminen synteesin aikana on tärkeää myös niiden valmistuksen paremman hallinnan kannalta. Tässä väitöskirjassa tarkastellaan siksi sitä, mitä tapahtuu katalyytin muodostuessa: miten synteesivaiheen muuttujat voivat vaikuttaa katalyytin rakenteellisen tilan muodostumiseen? 

Tutkimuksessa tätä kysymystä tarkasteltiin kerroksellisten hydroksidielektrokatalyyttien avulla kolmessa toisiaan täydentävässä tutkimuksessa. Ensimmäisessä tutkimuksessa MXenen pintakemian erot liittyivät muutoksiin hydroksidin nukleaatiossa ja rakennealueiden kehityksessä. MXene-pinnat, joilla oli vähemmän happea sisältäviä pintaryhmiä, liittyivät pienempiin koboltti-rautahydroksidin rakennealueisiin, ja muodostuneet katalyytit osoittivat korkeaa hapenkehitysaktiivisuutta ja pitkäaikaista stabiiliutta. Toisessa tutkimuksessa MXene osallistui kemiallisesti kobolttihydroksidin muodostumiseen. Sen muuntuminen synteesin aikana liittyi Co(II)-rikkaamman hydroksiditilan säilymiseen ja parempaan toimintaan vedynkehitysreaktiossa. Kolmannessa tutkimuksessa nikkelin lisääminen muutti sekä materiaalin rakenteellista järjestäytymistä että paikallista elektronirakennetta vähentäen pidemmän kantaman järjestäytymistä samalla, kun paikallinen kerrosrakenne säilyi. Näihin muutoksiin liittyi suurempi luontainen hapenkehitysaktiivisuus. 

Yhdessä nämä kolme tutkimusta osoittavat, että erilaiset synteesivaiheen muuttujat voivat vaikuttaa erilaisten rakenteellisten tilojen muodostumiseen kerroksellisissa hydroksidielektrokatalyyteissä ja että nämä tilat liittyvät myöhempään katalyyttiseen käyttäytymiseen. 

Työ laajentaa siten kysymystä ”Mikä katalyyttirakenne toimii?” myös kysymykseen ”Mikä muovaa tätä rakenteellista tilaa katalyytin muodostuessa?”. Pidemmällä aikavälillä näiden rakenteellisten tilojen muodostumisen ymmärtäminen voisi mahdollistaa katalyyttien synteesin suunnitelmallisemman hallinnan ja auttaa kaventamaan kuilua laboratoriomateriaalien ja käytännön vesielektrolyysiteknologioiden välillä.

Avainsanat: kerrokselliset (kaksois)hydroksidit, hapenkehitysreaktio, vedynkehitysreaktio, MXenet, elektrokatalyytit

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aalto-yliopiston riiputussivu.

Yhteystiedot: 
jiali.sheng@aalto.fi