Uudella, platinapihillä elektrokatalyytillä saatiin lupaavia tuloksia
Tutkijat valmistivat sähköenergian varastoinnissa tarvittavia elektrokatalyyttejä sadasosalla totutusta platinamäärästä.
Tiheysfunktionaaliteoria osoittaa hiilinanoputken stabiloivan yksittäisiä platina-atomeja, joiden pinnalla vedynkehitysreaktio tapahtuu tehokkaammin kuin perinteisesti käytettyjen platinananopartikkelien.
Kallis platina on yksi uusiutuvan energian käytön yleistymisen pullonkauloista. Platinaa tarvitaan sähköenergiaa kemialliseksi yhdisteeksi varastoivan elektrolyyserin katalyyttinä, ja se on tärkeä myös monissa teollisissa kemian prosesseissa, polttokennoissa ja autojen katalysaattoreissa.
Nyt Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet professori Tanja Kallion ja professori Kari Laasosen johdolla valmistusmenetelmän, jolla päästään yhtä hyviin tuloksiin kuin kaupallisella materiaalilla mutta alle sadasosalla sen platinamäärästä. Menetelmä perustuu hiilen nanoputken erityisominaisuuksien hyödyntämiseen.
”Hiilen nanoputken pinnalle sähkösaostettu platina muodostaa parin atomin kokoisia partikkeleita, kun se muiden materiaalien, kuten grafeenin, pinnalla kasautuu suuremmiksi nanopartikkeleiksi”, Tanja Kallio selittää.
”Uskomme tämän johtuvan siitä, että kaareutuvassa pinnassa hiilen atomit ovat jännittyneessä tilassa, jolloin ne mielellään stabiloivat platinaa pinnalle ja platina-atomit pysyvät näin pieninä, katalyyttisesti aktiivisina partikkeleina. Mallinnuksemme osoitti, että mitä jännittyneemmät hiilen sidokset ovat, sitä paremmin platina stabiloituu. Pienemmissä putkissa kaareutuminen ja siten jännitys on voimakkaampi, joten nanoputken halkaisijallakin on merkitystä.”
TEM- (tunnelointielektronimikroskooppi) kuva hiilinanoputkesta (tumma), jonka pinnalla platinaklusterit erottuvat kirkkaina täplinä.
Kolmasosa hinnasta
Elektrolyyserissä sähköenergia varastoidaan vedyn kemialliseksi sidosenergiaksi. Käytännössä sitä hyödynnetään varastoimaan kausiluontoista energiaa, kuten tuulivoimaa, jolloin pystytään tasaamaan kysynnän ja tuotannon välisiä eroja. Koska elektrokatalyytti muodostaa noin kolmasosan elektrolyyserin hinnasta, tarvittavan platinamäärän pieneneminen tekisi prosessista selvästi edullisemman.
”Hinnan lisäksi platinan ongelma on sen saatavuus. Platina on EU:n kriittisten raaka-aineiden listalla, mikä tarkoittaa, että sen käyttö on ongelmallista joko harvinaisuuden tai geopoliittisten ongelmien takia. Siksi EU onkin ottanut tavoitteekseen sen käytön vähentämisen”, Kallio kertoo ja korostaa, että heidän kehittämänsä elektrokatalyytti on osoittanut toimivuutensa vasta laboratoriossa.
”Se on stabiili ja kestää pitkän ajan pienessä mittakaavassa ja huoneenlämpötilassa. Seuraava askel on skaalata tuotantoa suuremmaksi ja testata elektrokatalyytin toimivuutta käytännön sovelluksissa, joissa myös lämpötila on usein korkeampi.”
Artikkeli julkaistiin ACS Catalysis -tiedejulkaisussa. Linkki artikkeliin (pubs.acs.org)
Lisätietoja:
Professori Tanja Kallio
p. 050 563 7567
tanja.kallio@aalto.fi
Professori Kari Laasonen (mallinnus)
p. 040 557 0044
kari.laasonen@aalto.fi