Teksti Kemia-lehti, kuvat Jyväskylän yliopisto
Aku Lempelto tutki väitöstyössään kuparipohjaisia katalyyttejä, jotka sopisivat hiilidioksidin muuntamiseen metanoliksi. Tulokset luovat pohjaa entistä aktiivisempien katalyyttirakenteiden kehittämiselle.
Katalyyteistä etsitään ratkaisuja kestävän tulevaisuuden haasteisiin ja ilmastonmuutoksen hidastamiseen. Aku Lempelto tutki kemian alan väitöskirjassaan hiilidioksidin muuntamiseen metanoliksi sopivia kuparipohjaisia katalyyttejä.
Ilmakehästä tai teollisuuden kaasupäästöistä kerätty hiilidioksidi voidaan yhdessä vedyn kanssa muuntaa metanoliksi tai muunlaisiksi hiilipohjaisiksi tuotteiksi käyttämällä esimerkiksi heterogeenisiä metalli‒metallioksidikatalyyttejä.
Jos prosessiin käytetty energia tuotetaan uusiutuvista lähteistä, luodaan käytännössä hiilinegatiivinen tapa kierrättää haitalliset päästöt hyödyllisiksi kemikaaleiksi ja polttoaineiksi.
Kvanttikemiaa käytännössä
Aku Lempelto tarkasteli väitöksessään metanolin tuotantoon soveltuvia kupari–sinkki–zirkoniakatalyyttejä. Hän käytti työssä kvanttimekaniikkaan perustuvia laskennallisia mallinnusmenetelmiä.
Katalyyttejä tutkittiin yhdistämällä kvanttikemiaan perustuvat laskennalliset mallit termodynaamiseen ja kineettiseen matemaattiseen tarkasteluun.
”Väitöstutkimusta tehtiin yhteistyössä Aalto-yliopiston katalyysin tutkimusryhmän kanssa. Laskennallisia malleja sovellettiin atomikerroskasvatuksella valmistettujen todellisten katalyyttien karakterisointiin”, Aku Lempelto kertoo.
Tutkimus oli osa Suomen akatemian rahoittamaa Hiili hyödyksi – C1 Value -hanketta. Tiheysfunktionaaliteoriaan pohjautuvat laskut suoritettiin Tieteen tietotekniikan keskus CSC:n supertietokoneilla.
Katalyytti ja kantaja kohtaavat
Katalyytit ovat vastuussa monien nykyisten kemiallisten prosessien toimivuudesta. Ne mahdollistavat esimerkiksi polymeerien, lannoitteiden sekä kemian- ja lääketeollisuuden lähtöaineiden valmistamisen puhtaasti ja energiatehokkaasti.
Nykytiedon valossa katalyytin aktiivisuuden katsotaan syntyvän aktiivisista kohdista metallin ja kantajamateriaalin välisellä rajapinnalla. Väitöstyössä tarkasteltiin rajapinnan muodon ja sinkkipromoottorin rooleja hiilidioksidin aktivoinnissa ja metanolin syntymisessä.
”Tuloksemme osoittavat, kuinka sinkkikeskukset pystyvät valikoivasti stabiloimaan rajapintaan kiinnittyviä reaktiovälituotteita ja siten vaikuttamaan reaktiomekanismiin ja mahdollisesti prosessissa vapautuvien sivutuotteiden määrään”, Lempelto kertoo.
Tuloksista käytännön hyötyä
Termodynaamiseen tarkasteluun perustuva mallinnus osoittaa, että zirkoniaan kiinnittyneet sinkkidioksidipartikkelit säilyvät hapettuneessa muodossa jopa erittäin pelkistävissä reaktio-olosuhteissa. Lisäksi se viittaa siihen, että sinkkipromoottori estää tehokkaasti partikkelien kasaantumista sekä zirkoniapinnalla että metalli–oksidi-rajapinnassa.
”Tulokset tarjoavat aiempaa tarkemman atomitason näkymän systeemin koostumukseen ja toimintaan realistisissa olosuhteissa. Lisäksi ne toimivat perustana entistä aktiivisempien katalyyttirakenteiden valmistamiseksi”, tutkija sanoo.
FM Aku Lempellon väitöskirja Computational modelling of carbon dioxide reduction to methanol on heterogeneous zirconia-supported copper catalysts tarkastettiin Jyväskylän yliopistossa 8.11.2024. Vastaväittäjänä toimi tutkimusjohtaja, tohtori Carine Michel (CNRS, Ranska) ja kustoksena professori Karoliina Honkala Jyväskylän yliopistosta.
Lähde: Jyväskylän yliopisto
Lue lisää:
Suomeen jo toinen kvanttitietokone
Puhtaan vedyn edelläkävijä vai tuontiriippuvainen Suomi?
Millä eväillä Suomesta syntyy vetytalouden mallimaa, Simo Säynevirta?
Vähähiilistäjä Kokkolasta on aloittamassa maailmanvalloituksen
