Ä¢¹½Ö±²¥

Hiilidioksidin muutamista hiilineutraaliksi 

Rajapintojen ymmärtäminen pelkästään kokeellisin menetelmin on kuitenkin äärimmäisen haastavaa, sillä rajapinnat ovat hyvin ohuita, alle nanometrin paksuisia. Laskennalliset ja teoreettiset menetelmät ovat nykyisin keskeisiä, sillä ne tarjoavat tehokkaan tavan tutkia sähkökemiallisten rajapintojen ominaisuuksia atomitasolla ja ajan suhteen. Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella on tehty pitkäjänteistä menetelmäkehitys- ja laskentatyötä, joiden ansiosta ymmärretään syvällisemmin sähköisten rajapintojen kemiaa, erityisesti elektrolyytti-ionien vaikutusta. 

- Kaksi tuoreinta tutkimusartikkeliamme keskittyvät elektrolyyttien vaikutukseen hapen ja hiilidioksidin pelkistysreaktioissa, jotka ovat keskeisiä polttokennojen toiminnalle, vetyperoksidin valmistamiselle sekä hiilidioksidin muuntamiseksi hiilineutraaleiksi kemikaaleiksi ja polttoaineiksi, kertoo akatemiatutkija Marko Melander Jyväskylän yliopiston kemian laitokselta.   

Tutkimus yhdisti kokeelliset ja laskennalliset tulokset 

Jyväskylän yliopiston kemian laitoksen tutkijat ovat tehneet yhteistyötä kansainvälisten kokeellisten ja laskennallisten ryhmien kanssa, mikä on mahdollistanut elektrolyyttivuorovaikutusten yksityiskohtaisen tutkimisen. Viimeaikaisia tutkimustuloksia on julkaistu alan arvostetuissa lehdissä Nature Communications ja Angewandte Chemie International Edition.  

- Molemmissa julkaisuissa olemme keskittyneet perustutkimukseen, joka vaatii äärimmäisen tarkkoja ja vaativia mittaustekniikoita ja niiden yhdistämistä uusinta osaamista vaativiin simulaatioihin. Pystyimme esimerkiksi ensimmäistä kertaa yhdistämään vedyn kvanttimekaaniseen luonteeseen perustuvien kineettisten isotooppiefektien mittaamisen ja simuloinnin, mikä auttoi yhdistämään kokeelliset ja laskennalliset tulokset. Käytimme myös uusia menetelmiä ionien ja liuottimen uudelleenjärjestäytymisen simuloimiseksi, mikä syvensi ymmärrystämme näiden yhteisvaikutuksesta reaktiomekanismiin, kertoo Melander.   

Uutta tietoa sähkökemiallisesta reaktiosta 

Tutkimuksen avulla opittiin ymmärtämään useita mekanismeja, joilla elektrolyytit vaikuttavat sähkökemiallisiin reaktioihin. Yksi näistä tavoista on ionien sitoutuminen reagoivaan molekyylin, kuten kuvassa 2 on esitetty. 

- Osoitimme erityisesti, että ionit säätelevät sekä elektrodipinnan että rajapinnan läheisyydessä olevan liuottimen rakennetta ja dynamiikkaa ei-sitovien vuorovaikutusten avulla. Nämä vuorovaikutukset määrittävät reaktiopolun, nopeuden ja valikoituvuuden eli sen, mitä sähkökemiallisessa reaktiossa muodostuu ja kuinka tehokkaasti, kertoo Melander.  

Mahdollisuuksia kehittää uusiutuvia energiateknologioita 

Vaikka tutkimus keskittyi elektrolyyttien sekä sähköisten rajapintojen perustutkimukseen, voi se edistää parempien sähkökemiallisten teknologioiden kehittämistä.  

- Erityisesti ioni- ja liuotinvuorovaikusten hyödyntäminen voi auttaa säätämään sähkökemiallisten reaktioiden nopeutta ja valikoituvuutta. Elektrolyytin muuttaminen voi ohjata esimerkiksi hapen pelkistysreaktiota joko polttokennoihin tai vetyperoksidin valmistamiseen sopivaksi. Elekrolyyttikemia voi auttaa myös hiilidioksidin pelkistystä tuottamaan haluttuja, arvokkaampia tuotteita, kertoo Melander.  

Artkkelien tiedot:  

• Cation-induced changes in the inner- and outer-sphere mechanisms of electrocatalytic CO₂ reduction, X. Qin, H. A. Hansen, K. Honkala & M. M. Melander, Nature Communications volume 14, Article number: 7607 (2023)  

  • Linkki artikkeliin:   

• Cations Determine the Mechanism and Selectivity of Alkaline Oxygen Reduction Reaction on Pt(111), T. Kumeda, L. Laverdure, K. Honkala, M. M. Melander, K. Sakaushi, Angewandte Chemie International Edition(2023) 

  • Linkki artikkeliin: