Katalyysi uudessa valossa: mikrotason vuorovaikutukset voivat tehostaa puhtaan energian teknologioita

Katalyytit ovat monien nyky-yhteiskunnan keskeisten teknologioiden taustalla. Niiden avulla poistetaan epäpuhtauksia autojen pakokaasuista, tuotetaan lannoitteita teollisessa mittakaavassa ja kehitetään uusia energiaratkaisuja, kuten vedyn tuotantoa ja polttokennoja. Ilman katalyyttejä monet kemialliset prosessit eivät olisi mahdollisia.

Katalyyttien suuresta merkityksestä huolimatta tutkijat eivät vielä täysin ymmärrä niiden toimintaa kaikkein pienimmissä mittakaavoissa. Kemiallisten reaktioiden kannalta ratkaisevat ilmiöt tapahtuvat mittakaavassa, joka on miljoonia kertoja hiekanjyvää pienempi. Näiden prosessien seuraaminen reaktion aikana on pitkään ollut suuri haaste.

Aalto-yliopiston, Warwickin yliopiston ja Massachusetts Institute of Technologyn tuore tutkimus avaa nyt uuden näkymän tähän aiemmin vaikeasti tavoitettavaan maailmaan.

“Saimme selville, miten katalyyttisen materiaalin eri mikroskooppiset alueet vuorovaikuttavat keskenään kemiallisen reaktion aikana – ja että tällä vuorovaikutuksella voi olla suuri vaikutus materiaalin toimintaan kokonaisuutena”, kertoo Aalto-yliopiston apulaisprofessori Daniel Martín-Yerga.

Tutkimus haastaa perinteisen käsityksen katalyysistä

Martín-Yerga vertaa katalyyttien tutkimista lumisen maiseman tarkasteluun. Kaukaa katsottuna lumihanki näyttää sileältä ja tasaiselta. Lähemmin tarkasteltuna käy kuitenkin ilmi, että lumi koostuu lukemattomista yksittäisistä hiutaleista, joista jokaisella on oma rakenteensa.

“Katalyyttiset materiaalit käyttäytyvät samankaltaisesti. Suuremmassa mittakaavassa pinta voi näyttää tasaiselta, mutta todellisuudessa se koostuu monista mikroskooppisista alueista, joilla on erilaisia ominaisuuksia”, Martín-Yerga kertoo.

Tutkijat tarkastelivat katalyytin pinnan alueita sähkökemiallisen mikroskopian avulla, samalla kun reaktio oli käynnissä. Mittaukset paljastivat, että materiaalin eri alueet käyttäytyvät keskenään eri tavoin – ja että reaktion eteneminen edellyttää niiden yhteistyötä.

“Nämä havainnot haastavat perinteisen käsityksen siitä, että katalyyttisiä reaktioita hallitsisi vain yhdentyyppinen aktiivinen kohta. Tulokset osoittavat, että materiaalin eri alueiden väliset vuorovaikutukset voivat olla ratkaisevassa roolissa siinä, kuinka tehokkaasti katalyytti toimii”, Martín-Yerga sanoo.

Mikroskooppisten prosessien ymmärtäminen auttaa tutkijoita suunnittelemaan parempia katalyyttejä puhtaan energian ja polttoaineiden tuotantoon. Kun katalyyttien toimintaa opitaan tarkastelemaan kaikkein pienimmissä mittakaavoissa, voidaan kehittää materiaaleja, jotka mahdollistavat tehokkaampia ja kestävämpiä kemianteknologioita.

Kestävämpiä tapoja tuottaa kemikaaleja, polttoaineita ja materiaaleja

Tutkimus liittyy läheisesti Martín-Yergan tutkimusryhmän laajempaan työhön Aalto-yliopistossa. Vuoden 2025 alussa perustettu ryhmä tutkii, miten sähköä voidaan hyödyntää kemiallisten reaktioiden ohjaamisessa aiempaa älykkäämmin ja kestävämmällä tavalla.

Ryhmän tutkimuksen keskiössä on sähkökemia – ala, jossa kemiallisia reaktioita voidaan ohjata sähkön avulla. Sen sijaan, että reaktioita ajettaisiin korkeilla lämpötiloilla tai suurilla energiamäärillä, sähkövirran avulla molekyylejä voidaan ohjata tarkasti tiettyjä reaktiopolkuja pitkin. Kun sähkö tuotetaan uusiutuvista lähteistä, kuten tuuli- tai aurinkoenergiasta, polttoaineita, kemikaaleja ja materiaaleja voidaan valmistaa huomattavasti pienemmällä ympäristökuormituksella.

“Sähkö antaa meille hyvin tarkan tavan hallita kemiallisia reaktioita. Voimme ohjata molekyylejä askel kerrallaan – vähän kuin säätäisimme koneen nappuloita – ja muuntaa ne joksikin hyödylliseksi”, Martín-Yerga sanoo.

Tutkimusryhmä tarkastelee erityisesti reaktioita, jotka tapahtuvat materiaalien ja nesteiden rajapinnoilla, missä atomit, elektronit ja molekyylit ovat jatkuvassa vuorovaikutuksessa. Näiden ilmiöiden ymmärtäminen on keskeistä, kun kehitetään parempia katalyyttejä ja uusia sähkökemiallisia teknologioita.

Ryhmän kehittämiä katalyyttejä hyödynnetään esimerkiksi biomassoista peräisin olevien molekyylien muuntamisessa arvokkaiksi kemikaaleiksi ja polttoaineiksi. Lisäksi ryhmä tutkii uusia tapoja tuottaa vihreää vetyä sekä mahdollisuuksia muuttaa jätevirtoja, kuten muoveja, uusiksi tuotteiksi.

Tutkimuksen tavoitteena on yhdistää kemian eri mittakaavat materiaalien nanotason käyttäytymisestä konkreettisten laitteiden toimintaan. Uusimmassa tutkimuksessa keskeisessä roolissa olivat sähkökemialliset mikroskopiatekniikat.

“Näiden työkalujen avulla voimme tarkastella, miten reaktiot etenevät hyvin pienillä pinta-alueilla. Samalla ne nopeuttavat tutkimusta. Sen sijaan että testaisimme materiaaleja yksi kerrallaan, voimme vertailla nopeasti useita vaihtoehtoja ja tunnistaa niistä lupaavimmat”, Martín-Yerga kertoo.

Ryhmän tutkimuksessa kehitetään myös entistä automatisoidumpia kokeellisia menetelmiä, joissa mittalaitteet voivat tehdä mittauksia itsenäisesti ja täten nopeuttaa uusien löydösten syntymistä.

Vaikka tutkimusryhmä on vielä varsin tuore, sen työtä tukevat jo useat merkittävät rahoittajat, kuten Suomen Akatemia, NordForsk, Teknologiateollisuuden 100-vuotissäätiö sekä Maa- ja vesitekniikan tuki ry.