Jyväskylän yliopiston kemian laitoksen tutkijat ovat yhdessä kansainvälisten kollegoidensa kanssa saaneet lisää tietoa elektrolyyttien vaikutuksesta hapen ja hiilidioksidin pelkistysreaktioihin.

Hapen ja hiilidioksidin pelkistysreaktiot ovat keskeisiä polttokennojen toiminnalle, vetyperoksidin valmistamiselle ja hiilidioksidin muuntamiselle hiilineutraaleiksi kemikaaleiksi ja polttoaineiksi.

Tutkimusartikkelit on julkaistu Nature Communications ja Angewandte Chemie International Edition -lehdissä.

Tulosten takana on tutkijoiden mukaan tarkkojen ja vaativien mittaustekniikoiden yhdistäminen uusinta osaamista edellyttäviin simulaatioihin.

”Pystyimme esimerkiksi ensimmäistä kertaa yhdistämään vedyn kvanttimekaaniseen luonteeseen perustuvien kineettisten isotooppiefektien mittaamisen ja simuloinnin, mikä auttoi yhdistämään kokeelliset ja laskennalliset tulokset”, kertoo akatemiatutkija Marko Melander.

”Käytimme myös uusia menetelmiä ionien ja liuottimen uudelleenjärjestäytymisen simuloimiseksi, mikä syvensi ymmärrystämme näiden yhteisvaikutuksesta reaktiomekanismiin.”

Rajapinnan mutkikas reaktioympäristö

Sähkökemialliset reaktiot mahdollistavat sähköisen energian sitomisen ja vapauttamisen kemiallisista sidosten avulla.

Tämä puolestaan luo perustan monille vihreän siirtymän sovelluksille, kuten vetyteknologialle, akkujen tuotannolle ja erilaisille kemian kiertotalouden ratkaisuille.

Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että sähkökemiallisten reaktioiden tehokkuuteen vaikuttavat elektrodin ohella liuotin, sen happamuus ja käytetyt elektrolyytti-ionit.

Tutkijat keskittyvätkin nykyään sähkökemiallisiin rajapintoihin eli elektrodin ja elektrolyytin muodostamaan reaktioympäristöön ja sen tuntemukseen.

Sähkökemiallinen rajapinta on hyvin monimutkainen reaktioympäristö, jossa törmäävät monenlaiset vuorovaikutukset ja prosessit. Kuva Marko Melander.

Laskennalliset menetelmät tehotyökaluna

Rajapintoja on erittäin vaikea tutkia pelkästään kokeellisin menetelmin, sillä ne ovat hyvin ohuita, alle nanometrin paksuisia.

Juuri siksi keskiöön ovat nousseet laskennalliset ja teoreettiset menetelmät, jotka tarjoavat tehokkaan keinon paneutua sähkökemiallisten rajapintojen ominaisuuksiin atomitasolla ja ajan suhteen.

Jyväskylän yliopiston kemian laitoksessa on tehty pitkään menetelmäkehitys- ja laskentatyötä, joiden ansiosta sähköisten rajapintojen kemiaa, erityisesti elektrolyytti-ionien vaikutusta, ymmärretään nykyään syvällisemmin.

Uutta tietoa monista mekanismeista

Tuoreen tutkimuksen avulla opittiin ymmärtämään useita mekanismeja, joilla elektrolyytit vaikuttavat sähkökemiallisiin reaktioihin, kuten ionien sitoutumista reagoivaan molekyyliin.

”Osoitimme erityisesti, että ionit säätelevät sekä elektrodipinnan että rajapinnan läheisyydessä olevan liuottimen rakennetta ja dynamiikkaa ei-sitovien vuorovaikutusten avulla”, Melander kertoo.

”Nämä vuorovaikutukset määrittävät reaktiopolun, nopeuden ja valikoituvuuden eli sen, mitä sähkökemiallisessa reaktiossa muodostuu ja kuinka tehokkaasti.”

Kohti tehokkaampaa uusiutuvaa energiaa

Vaikka tutkimus keskittyi elektrolyyttien ja sähköisten rajapintojen perustutkimukseen, se voi myös edistää parempien sähkökemiallisten teknologioiden kehittämistä.

”Erityisesti ioni- ja liuotinvuorovaikusten hyödyntäminen voi auttaa säätämään sähkökemiallisten reaktioiden nopeutta ja valikoituvuutta”, Melander sanoo.

”Elektrolyytin muuttaminen voi ohjata esimerkiksi hapen pelkistysreaktiota joko polttokennoihin tai vetyperoksidin valmistamiseen sopivaksi. Elekrolyyttikemia voi auttaa myös hiilidioksidin pelkistystä tuottamaan haluttuja, arvokkaampia tuotteita.”

(Pääkuva Marko Melander) Pinkki happimolekyyli muodostaa sidoksen vihreän litium-ionin kanssa platinan ja veden rajapinnalla.