Uusi tutkimus paljastaa, miten puolijohteet mahdollistavat vihreän vedyn tuotannon

Vihreän vedyn sähkökatalyyttinen tuotanto on keskeinen tavoite uusiutuvan energian hyödyntämisessä ja varastoinnissa. Tällä hetkellä tehokkaimmat katalyytit perustuvat kuitenkin jalometalleihin, erityisesti platinaan. Näiden materiaalien korkea hinta ja rajallinen saatavuus jarruttavat vedyn tuotannon laajentamista ja nostavat sen kustannuksia. Siksi uusien, edullisempien mutta edelleen tehokkaiden katalyyttimateriaalien kehittäminen on ratkaisevan tärkeää kustannustehokkaan ja laajamittaisen vedyntuotannon saavuttamisessa. Puolijohdemateriaalit ovat yksi mahdollinen ja toistaiseksi suhteellisen vähän tutkittu vaihtoehto vedynkehitysreaktion katalyyteiksi. 

”Toisin kuin perinteisissä metallipohjaisissa katalyyteissa, puolijohdemateriaaleissa voidaan hyödyntää yleisempiä ja edullisempia alkuaineita. Puolijohde-elektrodien kehitystä on kuitenkin hidastanut se, ettei niiden sähkökemiallisia ja katalyyttisiä ominaisuuksia ei tunneta yhtä hyvin kuin metallien”, selittävät tutkimushanketta johtaneet professori Karoliina Honkala sekä yliopistonlehtori, akatemiatutkija, Marko Melander Jyväskylän yliopistosta.  

JYU:ssa kehitetty uusi teoreettinen menetelmä puolijohteiden sähkökemian ymmärtämiseen 

Puolijohteiden sähkökemiaa on tutkittu sekä laskennallisesti että kokeellisesti vähemmän kuin metallien sähkökemiaa, sillä tutkimusmenetelmät ovat olleet puutteellisia. Erityisesti laskennallinen tutkimus on ollut haastavaa, koska ulkoisen elektrodipotentiaali vaikutusta ei ole pystytty mallintamaan atomi- ja elektronitason laskuissa. Jyväskylän yliopiston kemian laitoksella kehitetty uusi menetelmä, ns. sisäpotentiaali-tiheysfunktionaali –teoria, on kuitenkin mahdollistanut puolijohteiden sähkökemian mallintamisen. 

”Kehitimme tämän menetelmän toissa vuonna, ja yksi sen keskeisistä käyttötarkoituksista on nimenomaan puolijohteiden mallintaminen. Tässä tutkimuksessa sovelsimme menetelmää vedynkehitysreaktion tutkimiseen siten, että pystyimme sekä mallintamaan että kokeellisesti mittaamaan, miten elektrodipotentiaalin muuttaminen käynnistää vedyn muodostumisen. Yhteistyökumppanien kanssa tekemiemme laskujen avulla ennustimme, että TiO₂-pinnalla voi muodostua paikallisia varauskeskuksia eli niin sanottuja polaroneja, jotka katalysoivat vedyn muodostusta ”, kertoo Melander.

Tarkat kokeelliset mittaukset varmensivat laskennalliset ennusteet

Laskennallisten ennustusten kokeellinen testaaminen oli kuitenkin merkittävä haaste, mikä edellytti edistyneiden tutkimusmenetelmien käyttöä perinteisten sähkökemiallisten mittausten ohella. Laskennallisten tulosten varmentamisessa hyödynnettiin esimerkiksi valosähkökemiallisia Raman-mittauksia, reaktionaikaista elektroniresonanssispektroskopiaa sekä reaktionaikaista fotoelektronispektroskopiaa. 

”Yhteistyökumppaniemme tekemät kokeet olivat erittäin vaativia ja työläitä. Ne osoittivat kuitenkin suoraan, että elektrodipotentiaalin muuttaminen johtaa paikallisten varauskeskusten eli polaronien, muodostumiseen. Nämä keskukset mahdollistavat vedynkehitysreaktion TiO₂-elektrodeilla sekä todennäköisesti myös muilla puolijohteilla”, selventää Honkala.

Uusia lähestymistapoja ja mahdollisuuksia katalyysikehitykseen 

Löydetty elektrodipotentiaalin ohjaama polaronien muodostuminen on puolijohteiden sähkökemialle aiemmin tuntematon ilmiö eikä sitä esiinny metallisilla elektrodeilla. Tutkijoiden mukaan ilmiötä voidaan tulevaisuudessa hyödyntää katalyysisuunnittelussa ja materiaalikehityksessä. 

”Havaitsimme, että polaronien muodostuminen mahdollistaa puolijohde-elektrodeille niin kutsuttujen skaalauslakien kiertämisen. Metallielektrodeilla nämä lait rajoittavat saavutettavaa katalyyttista aktiivisuutta. Löytömme voi siten avata uudenlaisen lähestymistavan katalyyttien kehittämiseksi”, visioivat Honkala ja Melander. 

Tutkimus on julkaistu avoimena Nature Communications -lehdessä. Jyväskylän yliopiston lisäksi tutkimukseen osallistui useita tutkijoita eri kiinalaisista yliopistoista ja tutkimuslaitoksista. Jyväskylässä tehtyä tutkimusta tukivat Suomen Akatemia, Jane ja Aatos Erkon -säätiö sekä Cefmof-säätiö. 

Artikkelin tiedot:

• Tongwei Wu, Xiaoxi Guo, Guangjie Zhang, Yanning Zhang, Li Song, Zheng Liu, Hui Zhang, Shucheng Shi, Limin Liu, Marko M. Melander & Karoliina Honkala, “Potential-dependent polaron formation activates TiO2 for the hydrogen evolution reaction”, Nat. Commun. (2026).
• Linkki artikkeliin: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68892-5