9.6.2020 Multiskaalamallinnus kuroo umpeen kuilua laskennallisen ja kokeellisen tutkimuksen välillä (Kauppinen)

Katalyyttisten prosessien tehokas hyödyntäminen on yksi tärkeistä strategioista taistelussa ilmastonmuutosta vastaan. Katalyytti on materiaali, joka vauhdittaa kemiallista reaktiota kulumatta siinä itse. Katalyysi on monimutkainen ilmiö, jonka eri prosessit tapahtuvat useilla eri aika- ja pituusskaaloilla, ja sen ymmärtämiseen tarvitaan sekä laskennallista että kokeellista tutkimusta. Minttu Kauppisen väitöskirjatutkimus Jyväskylän yliopistossa tarkastelee zirkoniatuettujen rodiumin ja platinan katalyyttisiä ominaisuuksia laskennallisin menetelmin. Työssä käytettiin multiskaalamenetelmiä, jotka auttavat kaventamaan kuilua laskujen ja kokeiden välillä. Väitöskirjatyössä käytettiin tiheysfunktionaaliteoriaan (DFT) pohjautuvia menetelmiä. DFT-laskut suoritettiin Tieteen tietotekniikan keskus CSC:n supertietokoneilla.
Julkaistu
9.6.2020

Mikrokineettinen mallinnus on yksi tapa tuoda laskennalliset tulokset lähemmäksi kokeellista dataa. Minttu Kauppinen kehitti tätä varten oman Python-pohjaisen ohjelman. Ohjelmaa käytettiin mallintamaan vesikaasun siirtoreaktiota, jotta saataisiin tietoa katalyytin eri osien rooleista reaktiomekanismissa. Reaktion havaittiin kulkevan nopeimmin metallin ja kantajan rajapinnalla. Tämä johtunee siitä, että se sitoo ja hajottaa, eli aktivoi, vettä tehokkaasti. Kehitettyä Python-ohjelmaa voidaan käyttää tulevaisuudessa myös muiden teollisuudelle tärkeiden reaktioiden mallintamiseen.

Veden hajoamisreaktiota tutkittiin myös tuettujen metalliklustereiden rajapintapaikoilla. Tutkimuksessa osoitettiin, että jokainen paikka on ainutlaatuinen, joka johtaa reaktion vaikeasti ennakoitavaan käytökseen. Tämä tulos viittaa siihen, että nykyisenlaiset ennustavat mallit eivät aina sovellu pienimpien metallikatalyyttien käytöksen mallintamiseen.

Yksittäisten metalliatomien käyttö katalyytteinä on saanut paljon huomiota viimevuosina. Yksi suurimmista haasteista on niiden taipumus kasaantua yhteen, jolloin ne menettävät toimintakykynsä. Väitöstyössä tutkittiin Rh- ja Pt-atomien kasaantumista klustereiksi zirkonian pinnalla. Tulokset osoittavat, että hiilimonoksidia sisältävä ilmakehä voisi vakauttaa Pt atomeja, ja jopa aiheuttaa klustereiden hajoamista. Puuttuvat atomit zirkonian pinnalla jättävät jälkeensä aukkoja, joihin metalli-atomit voivat jäädä kiinni, ja siten pysyä paremmin erillään.

Tutkimus auttaa ymmärtämään katalyyttien toimintaa atomitasolla, ja pystyy selittämään useita kokeellisesti havaittuja ilmiöitä puhtaasti laskennallisia malleja käyttäen.

Teos on julkaistu sarjassa JYU Dissertations numerona 231, 87 s., Jyväskylä 2020, ISSN 2489-9003, ISBN 978-951-39-8182-2 (PDF). Linkki väitöskirjaan:

Minttu Kauppinen valmistui ylioppilaaksi Jyväskylän Lyseon lukion IB-linjalta vuonna 2010. Hän valmistui filosofian maisteriksi Glasgow'n yliopistosta kemian laitokselta (School of Chemistry) 2016. Kauppisen väitöskirjaa ovat rahoittaneet Suomen Akatemia sekä Jyväskylän yliopisto.

³¢¾±²õä³Ù¾±±ð³Ù´ÇÂá²¹:
Minttu Kauppinen, minttu.m.kauppinen@jyu.fi

FM Minttu Kauppisen fysikaalisen kemian väitöskirjan "Multiscale computational investigation of catalytic properties of zirconia supported noble metals" tarkastustilaisuus on tiistaina 9.6. 2020 Jyväskylän yliopistossa alkaen kello 13. Vastaväittäjänä on professori Henrik Grönbeck (Chalmers Univeristy of Technology, Ruotsi) ja kustoksena professori Karoliina Honkala Jyväskylän yliopistosta. Väitöstilaisuuden kieli on englanti. 

Yleisö voi seurata väitöstä verkkovälitteisesti, linkki Zoom-webinaariin ( (suositellaan Zoom-sovellusta tai Google Chrome selainta):
Salasana: 446857