Teksti Kemia-lehti, kuvat Jyväskylän yliopisto
Jyväskylän yliopiston tutkimuksissa on saatu uutta tietoa sähkökemiallisista reaktioista, jotka avittavat vihreää siirtymää.
Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella on tehty pitkäjänteistä menetelmäkehitys- ja laskentatyötä, jonka ansiosta ymmärretään syvällisemmin sähköisten rajapintojen kemiaa, erityisesti elektrolyytti-ionien vaikutusta.
”Tuoreimmat tutkimusartikkelimme keskittyvät elektrolyyttien vaikutukseen hapen ja hiilidioksidin pelkistysreaktioissa, jotka ovat keskeisiä polttokennojen toiminnassa, vetyperoksidin valmistamisessa sekä hiilidioksidin muuntamisessa hiilineutraaleiksi kemikaaleiksi ja polttoaineiksi”, kertoo akatemiatutkija Marko Melander Jyväskylän yliopiston kemian laitokselta.
Tulokset kansainvälisenä yhteistyönä
Elektrolyyttivuorovaikutusten yksityiskohtaisen tutkimisen on mahdollistanut yhteistyö, jota Jyväskylän yliopiston kemian laitoksen tutkijat ovat tehneet kansainvälisten kokeellisten ja laskennallisten ryhmien kanssa.
Uusimpia 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”, Marko Melander kertoo.
”Pystyimme esimerkiksi ensimmäistä kertaa yhdistämään vedyn kvanttimekaaniseen luonteeseen perustuvien kineettisten isotooppiefektien mittaamisen ja simuloinnin. Tämä auttoi yhdistämään kokeelliset ja laskennalliset tulokset. Käytimme myös uusia menetelmiä ionien ja liuottimen uudelleenjärjestäytymisen simuloimiseksi, mikä syvensi ymmärrystämme näiden yhteisvaikutuksesta reaktiomekanismiin.”
Perusta vetyteknologialle ja kemialliselle kiertotaloudelle
Sähkökemialliset reaktiot ovat keskeisiä vihreässä siirtymässä. Ne hyödyntävät kemiallisten reaktioiden aikaansaamisessa sähkövirtaa ja sähköistä potentiaalieroa mahdollistaen sähköisen energian sitomisen ja vapauttamisen kemiallisista sidosten avulla. Tämä luo perustan monille kemiallisille sovelluksille, kuten vetyteknologialle, akuille sekä erilaisille ratkaisuille kemiallisen kiertotalouden saralla.
Sovellusten kehittäminen edellyttää syvällistä ymmärrystä sähkökemiallisista reaktioista ja niihin vaikuttavista tekijöistä. Sähkökemiallisten reaktioiden tehokkuuteen vaikuttavat elektrodin ohella keskeisesti käytetty liuotin, sen happamuus sekä käytetyt elektrolyytti-ionit. Tutkimus keskittyykin nykyisin sähkökemiallisten rajapintojen eli elektrodin ja elektrolyytin muodostaman reaktioympäristön ymmärtämiseen.
Rajapintojen ymmärtäminen pelkästään kokeellisin menetelmin on kuitenkin äärimmäisen haastavaa, sillä rajapinnat ovat hyvin ohuita, alle nanometrin paksuisia. Laskennalliset ja teoreettiset menetelmät ovat keskeisiä, koska ne tarjoavat tehokkaan tavan tutkia sähkökemiallisten rajapintojen ominaisuuksia atomitasolla ja ajan suhteen.
Uutta tietoa sähkökemiallisesta reaktiosta
Jyväskylän yliopiston tutkimuksen avulla opittiin ymmärtämään useita mekanismeja, joilla elektrolyytit vaikuttavat sähkökemiallisiin reaktioihin. Yksi näistä tavoista on ionien sitoutuminen reagoivaan molekyylin.
”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”, Marko Melander kertoo.
Mahdollisuuksia uusiutuviin energiateknologioihin
Tutkimus keskittyi elektrolyyttien sekä sähköisten rajapintojen perustutkimukseen, mutta voi myös 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”, Melander kertoo.
