Kaaviokuva grafeenin ja hiilinanoputken muodostamasta hybridinanomateriaalista, kun materiaalin yksittäisiä atomeja on korvattu epäpuhtausatomeilla. Materiaali katalysoi tehokkaasti tärkeitä sähkökemiallisia reaktioita veden elektrolyysilaitteissa sekä polttokennoissa. Kuva: Aalto-yliopisto

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.

Sormenpään koko, tenniskentän pinta-ala

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 Mustonen.

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

Artikkeli:

Mesoporous Single-Atom-Doped Graphene‒Carbon Nanotube Hybrid: Synthesis and Tunable Electrocatalytic Activity for Oxygen Evolution and Reduction Reactions.  Mohammad Tavakkoli, Emmanuel Flahaut, Pekka Peljo, Jani Sainio, Fatemeh Davodi, Egor V. Lobiak, Kimmo Mustonen and Esko I Kauppinen ACS Catal. 2020,  https://doi.org/10.1021/acscatal.0c00352