Tampereen teknillisen yliopistossa ja Aalto-yliopistossa on käynnissä eurooppalainen materiaalitutkimuksen CritCat-hanke. Hankkeen tavoitteena on kehittää edullisia katalyyttimateriaaleja erityisesti vetyenergiasovellusten tarpeisiin.

Hankkeessa uusia materiaaleja kehitetään atomitasolta lähtien, ja niiden suunnittelussa käytetään hyväksi matemaattista mallintamista ja suurteholaskentaa. Uusi laskennallinen tapa mahdollistaa uusien materiaaliyhdistelmien etsimisen virtuaalisesti, ja siten nopeuttaa työtä valtavasti perinteiseen suunnitteluun verrattuna.

– Perustason laskennallista materiaalien suunnittelua on tehty jo muutaman vuosikymmenen ajan. Esimerkiksi uusia teräslaatuja on kehitetty siten, että tuotekehityksen 15–20 vuoden aikaikkuna on saatu pudotettua jopa kuuteen vuoteen, kertoo professori Jaakko Akola Tampereen teknillisestä yliopistosta.   

Alan uusimmat trendit simulaatioiden ja koneoppimisen osalta ovat kuitenkin mullistamassa materiaalitutkimuksen.

– Ne mahdollistavat uusien materiaalien entistä tehokkaamman ja tarkemman suunnittelun kuhunkin teknologiseen tarkoitukseen atomitasolta alkaen.

Eurooppalainen teollisuus tarvitsee uusia katalyyttimateriaaleja

Uusille kustannustehokkaille katalyyttimateriaaleille on Euroopassa kova tarve, sillä tällä hetkellä noin 75 prosenttia teollisuuden käyttämistä platinaryhmän metalleista on peräisin Etelä-Afrikan kaivoksilta ja loput suurelta osin Venäjältä. Euroopassa ei ole omaa tuotantoa suuremmassa mittakaavassa.

– Tämä on eurooppalaiselle teollisuudelle ongelmallista, sillä Etelä-Afrikasta ja Venäjältä tuotavat materiaalit ovat kalliita. Kyseiset materiaalit luokitellaan myös niin sanotuiksi ”kriittisiksi metalleiksi”, sillä maaperän varannot ovat rajalliset.

Tuotantoon ja saatavuuteen liittyy lisäksi ympäristöongelmia sekä sosioekonomisia haasteita. Esimerkiksi Etelä-Afrikan kaivoksilla on ollut viime vuosina ongelmia työntekijöiden työolosuhteissa, mikä on aiheuttanut lakkoja ja kaivosten väliaikaisia alasajoja.

CritCat-hankkeessa kehitetään korvaavia vaihtoehtoja nykyisille katalyyttimateriaaleille ja siten pyritään turvaamaan Euroopan omavaraisuus. Uusissa materiaaleissa keskitytään erittäin pieniin nanopartikkeleihin, klustereihin, joissa käytetään maankuoressa yleisesti esiintyviä metalleja, kuten nikkeliä, rautaa, kuparia ja titaania.

Katalyyttimateriaalit ovat keskeisessä asemassa muun muassa uusiutuvien energiamuotojen kehittämisessä. Tutkimuksen tuloksia hyödynnetään erityisesti vetyenergiasovellusten kehittämisessä yhdessä teollisten kumppanien kanssa.

Kolmevuotisessa (2016–2019) hankkeessa on mukana yhteensä 6 yliopistoa ja 3 yritystä. TTY koordinoi hanketta.

Hankkeeseen on saatu rahoitusta EU:n Horisontti 2020 -ohjelmasta, joka on maailman suurin tutkimus- ja innovaatiorahoitusohjelma. Sen rahoituksen määrä on lähes 80 miljardia euroa vuosille 2014–2020, ja se on erittäin kilpailtua. Tampereen teknillinen yliopisto koordinoi yhteensä 12 Horisontti 2020 -hanketta.

CritCat-projekti

”Towards Replacement of Critical Catalyst Materials by Improved Nanoparticle Control and Rational Design”

Kesto: 1.6.2016–31.5.2019

Rahoitus: 4,3 miljoonaa euroa

Partnerit: Tampereen teknillinen yliopisto, Aalto-yliopisto, Swansea University, National Physical Laboratory, Forschungszentrum Jülich, International Iberian Nanotechnology Laboratory, Syngaschem B.V., Tethis S.p.A. ja Nanolayers Research Computing LTD.