Uutiset

Uusi, tehokas katalyytti vauhdittaa puhtaan vetypolttoaineen valmistusta

Julkaistu:
Tutkijat ovat kehittäneet lupaavan materiaaliyhdistelmän grafeenista, hiilinanoputkista ja epäpuhtausatomeista.
carbon nanotube and graphene cartoon
Kaaviokuva grafeenin ja hiilinanoputken hybridinanomateriaalista, kun materiaalin yksittäisiä atomeja on korvattu epäpuhtausatomeilla. Materiaali katalysoi tehokkaasti tärkeitä sähkökemiallisia reaktioita veden elektrolyysilaitteissa sekä polttokennoissa.

Vedyllä toimivat polttokennot ovat lupaava, puhdas vaihtoehto fossiilisille polttoaineille etenkin ajoneuvoissa. Niiden yleistyminen edellyttää paitsi edullisia ja tehokkaita polttokennoja, myös sähkökatalyyttejä, jotka tuottavat vetyä vähäpäästöisesti, sähkökemiallisessa reaktiossa.

Prosessi on sitä tehokkaampi, mitä vähemmän energiaa menetetään, kun vesi hajotetaan hapeksi ja vedyksi. Katalyytillä on prosessissa merkittävä rooli, ja siksi tehokkaiden ja edullisten katalyyttien kehittäminen on tärkeää.

Aalto-yliopiston fysiikan ja kemian tutkijat ovat yhteistyössä ranskalaisten ja itävaltalaisten tutkijoiden kanssa kehittäneet uuden katalyyttimateriaalin, joka nopeuttaa sähkökemiallisia reaktioita enemmän kuin mikään nykyisin kaupallisesti saatavilla oleva katalyyttimateriaali.

”Haluamme korvata perinteiset arvometalleihin, kuten platinaan ja iridiumiin, perustuvat kalliit ja harvinaiset katalyytit erittäin aktiivisilla, edullisilla ja hyvin saatavilla olevilla vaihtoehdoilla. Näitä ovat esimerkiksi grafeeni ja hiilinanoputket sekä typpi ja jotkin siirtymämetallit kuten kupari ja rauta”, sanoo Aalto-yliopiston tutkijatohtori Mohammad Tavakkoli.

Siirtymämetallit ovat hyvin reaktiivisia ja muodostavat helposti erilaisia yhdisteitä.

A microscope image of a carbon nanotube and graphene catalyst
Pyyhkäisy-läpivalaisuelektronimikroskoopilla otettu kuva hybridinanomateriaalista, jossa yksittäinen atomi on korvattu metalliatomilla. Yksi nanometri (nm) vastaa metrin miljardisosaa. © Kimmo Mustonen 2020, Wienin Yliopisto.

Tutkijat loivat erittäin huokoisen materiaaliyhdistelmän grafeenista ja hiilinanoputkista ja korvasivat osan materiaaliyhdistelmän hiiliatomeista muiden hyviksi katalyyteiksi tiedettyjen alkuaineiden yksittäisillä atomeilla. Nämä epäpuhtausatomit tekivät huokoisesta materiaaliyhdistelmästä entistäkin tehokkaamman.

Tavallisesti katalyytit asetetaan loppusovelluksessa – tässä tapauksessa sähkökemiallisessa kennossa –  katalyytin pohjana toimivan substraatin eli kasvatusalustan pinnalle. Tutkijat kasvattivat katalyysimateriaalia itse kehittämällään, kemialliseen synteesiin perustuvalla menetelmällä. Siinä esikäsitelty substraatti, hiiltä sisältävää kaasua sekä epäpuhtausatomien lähteitä laitetaan kasvatusuuniin. Katalyyttinä toimivat nanomateriaalit muodostuvat kasvatusuunissa riittävän korkeassa lämpötilassa, tyypillisesti noin 1000 celsiusasteessa.

Yksi uuden katalyysimateriaalin tehokkuuden salaisuuksista on sen huokoisuus.

”Sen ansiosta katalyytin, kasvatusalustan sekä katalysoitavan aineen eli tässä tapauksessa veden välinen aktiivinen pinta-ala on todella suuri. Esimerkiksi sormenpään kokoinen kalvo nanohiiliputkea saattaa pinta-alaltaan vastata muutamaa tenniskenttää. Pinta-ala suhteessa tilavuuteen on äärimmäisen suuri, ja tämä on keskeinen tekijä katalyytin aktiivisuudelle”, kertoo vanhempi tutkija Kimmo Mustonen Wienin yliopistosta.

Tutkimustulokset voivat parhaimmillaan ohjata vetyä energianaan käyttävien laitteiden järkevää suunnittelua.

”Vetyteknologia on erityisen hyödyllinen paljon energiaa tarvitsevissa ja liikkuvissa laitteissa. Käyttökohteita löytyy esimerkiksi avaruusteknologiassa, satelliittipuhelimissa tai tavarakuljetuksiin tarkoitetuissa droneissa. Vetypolttokennoissa on yksinkertaisuutensa vuoksi hyvä toimintavarmuus ja suuri energiatiheys. Niitä voidaan myös käyttää siellä missä sähkövirtaa ei ole saatavissa tai akkuteknologia ei ole riittävä”, sanoo Kimmo Mustonen.

Tutkimuksessa olivat Aalto-yliopiston lisäksi mukana CNRS-tutkimuskeskus Ranskassa ja Wienin yliopisto Itävallassa.

Lisätietoa:

Artikkeli: Mesoporous Single-Atom-Doped Graphene‒Carbon Nanotube Hybrid: Synthesis and Tunable Electrocatalytic Activity for Oxygen Evolution and Reduction Reaction: https://doi.org/10.1021/acscatal.0c00352

Mohammad Tavakkoli (englanniksi)
Tutkijatohtori
Aalto-yliopisto
puh. 050 414 0950
mohammad.tavakkoli@aalto.fi

Kimmo Mustonen
Vanhempi tutkija
Wienin yliopisto
puh. +43 (0) 677 615 87996
kimmo.mustonen@univie.ac.at

  • Päivitetty:
  • Julkaistu:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Abstraktia violettia energiaa ja salamia hehkuvan piirilevyn yllä, kirkas valo keskellä
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Mitä on kvanttiteknologia?

Moni nykyajan laite ei olisi olemassa ilman kvanttiteknologiaa, mutta huimimmat sovellukset vasta siintävät horisontissa.
Hymyilevä suorahiuksinen nainen vihreässä paidassa, sisällä kasvien edessä
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Kvanttihypen anatomia

Väitöskirjatutkija Christa Schauman kertoo, miten Suomi ja Eurooppa pärjäävät kisassa, johon kaikki haluavat mukaan – palkinnon epävarmuudesta huolimatta.
Musta käsi koskettaa tabletin näyttöä, jossa on valkoisia muotoja. Paperit ja kynä ovat vaaleanpunaisella pinnalla.
Tutkimus ja taide Julkaistu:

Ilmoittaudu tutkimuspalveluiden koulutuksiin – aiheina tekoäly, datanhallinta, avoin tiede ja paljon muuta

Koulutustarjonnassa on jälleen paljon uusia aiheita. Rekisteröityminen syksylle 2026 on avattu.
Gloria Mendoza-Franco väitteli ennakkoluuloista Aalto-yliopistolla 28. syyskuuta. Kuva: Matti Ahlgren, Aalto-yliopisto.
Mediatiedotteet Julkaistu:

Ennakkoluulot ovat monimutkaisempia kuin stereotypiat antavat ymmärtää

Sosiaalipsykologien teorian mukaan omaan ryhmään kuuluvat henkilöt sekä korkeasti arvostettuihin ja helposti lähestyttäviin ryhmiin liitetyt ihmiset herättävät katsojassa useammin ihailua tai kunnioitusta kuin vähemmän arvostettuihin tai etäisiksi arvioituihin ryhmiin kuuluvat ihmiset. Neurotieteen tutkijat selvittivät nyt yhdessä sosiaalipsykologien kanssa, että sosiaalisen ryhmän lisäksi myös ihmisen tunnetila ja etäisyys vaikuttavat katsojan tunnereaktioihin.