Uusi tapa valmistaa erittäin aktiivinen ja kestävä nanokatalyytti tarjoaa ratkaisuja energian varastointiin
Ympäristöystävällinen, yksinkertainen ja helppo valmistusprosessi avaa uusia mahdollisuuksia MOF-rakenteisiin perustuville nanokatalyyteille.
Luonnonvaroja on käytettävä kestävästi, jotta voidaan vastata kasvavan väestön tarpeisiin sekä minimoida ympäristöön kohdistuvat vaikutukset. Aurinkoenergiaa on saatavilla runsaasti, ja se on puhdasta mutta myös kausittaista. Tästä syystä tutkijat etsivät aktiivisesti erilaisia energian varastointiin liittyviä ratkaisuja.
Yksi lupaavimmista ratkaisuista on aurinkokennoilla tuotetun sähköenergian varastointi kemialliseen energiaan vettä hajottamalla. Kyseessä on kemiallinen reaktio, jossa vesi hajotetaan hapeksi ja vedyksi. Tutkijat ovat pyrkineet kehittämään uusia katalyyttejä, joilla voidaan helpottaa veden hapettumisreaktiota. Reaktiosta käytetään myös nimitystä hapentuottoreaktio (oxygen evolution reaction, OER).
Metalliorgaanisia runkorakenteita (metal-organic frameworks, MOF) on käytetty aiemmin lähtöaineina aktiivisten sähkökatalyyttien tuottamiseksi korkeassa lämpötilassa toteutettavan pyrolyysin avulla. Pyrolyysi voidaan kuitenkin toteuttaa vain suhteellisen korkeassa lämpötilassa (aina 600 °C:seen asti) reagoimattomassa ympäristössä, ja MOF-rakenteiden terminen vakaus on reaktion kannalta erittäin tärkeää. Prosessin käyttömahdollisuudet energiasovelluksissa ovat rajalliset erityisesti silloin, kun käytössä on termisesti epävakaita katalyytin tukiaineita.
Nyt Aalto-yliopiston ja Zewail City of Science and Technology -tutkimuslaitoksen (Egypti) tutkijat ovat suunnitelleet prosessin, joka on onnistuttu ensi kertaa toteuttamaan huoneenlämpötilassa ja jonka tuloksena on saatu aikaan poikkeuksellisen aktiivinen ja erittäin kestävä nanokatalyytti hapentuottoreaktion tuottamiseksi.
”Prosessi käynnistetään vapauttamalla kontrolloidusti lähtöaineen aktiivinen ioni hajottamalla MOF-rakenteita emäksisessä aineessa. Tämän jälkeen lähtöaineioni saostetaan eristettyjen saarekkeiden, nanoklusterien, muotoon. Viimeisessä vaiheessa aktiivinen nanokatalyytti kiinnitetään sähkökemiallisesti elektrodin pintaan”, Aalto-yliopiston prosessori Mady Elbahri selittää.
”Nanokatalyytin kiinnittäminen elektrodin pintaan toteutetaan kerrostamalla hiukkasia elektrodin läheisyyteen sovelletussa sähkökentässä, jolloin sähkökemiallisesti kiinnittyvä katalyyttikerros muodostuu”, jatko-opiskelija A. Soliman täydentää.
Menetelmä voi osoittautua hyödylliseksi useissa katalyyttejä tai sensoreita käyttävissä sähkökemiallisissa prosesseissa ja muissa haastavissa sovelluksissa.
”Koska prosessi on ympäristöystävällinen, yksinkertainen ja helppo, ja MOF-rakenteiden lähtöaineet ovat kemiallisesti monipuolisia, MOF-rakenteisiin perustuviin nanokatalyytteihin liittyy entistä enemmän mahdollisuuksia”, Zewail City of Science and Technology -tutkimuslaitoksen professori M. AlKordisanoo.
Energian varastoinnin lisäksi prosessia voidaan soveltaa myös hiilinanoputkissa ja 2D-materiaaleissa, kuten metallisulfideissa sekä sähkökemiallisessa pinnan rekonstruoinnissa.
Tutkimusartikkeli on julkaistu Chemical Communications –julkaisussa
Lisätietoja:
Mady Elbahri, professori
Aalto-yliopisto
mady.elbahri@aalto.fi
050 464 8990