Sisulla laskettiin: Sähköenergian varastointiin uusia, platinapihejä elektrokatalyyttejä
Aalto-yliopiston tutkijat valmistivat sähköenergian varastoinnissa tarvittavia elektrokatalyyttejä sadasosalla totutusta platinamäärästä. Suurteholaskenta oli välttämätöntä tulosten saavuttamiseksi.
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.
Aalto-yliopiston tutkijat kehittivät 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.
Työn laskennallinen osuus tehtiin professori Laasosen ryhmässä.
– CSC:n supertietokone Sisu oli työssämme välttämätön: Kaikki laskut on tehty sillä. Laskut ovat olleet oleellisessa asemassa sen ymmärtämisessä, miten platina tarttuu hiilinanoputkeen, ja erityisesti, miksi juuri nanoputkeen. Samoin olemme laskennallisesti voineet näyttää, että jopa yksi platina-atomi voi toimia katalyyttinä. Laskennalliset tulokset tukevat hyvin kokeellisia mittauksia, kertoo Laasonen.
Pienillä platinamäärillä isoja säästöjä
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, Tanja 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.
Miljoonia laskentatunteja vuosittain
Nykyään lähes kaikki mutkikkaat materiaalitieteen ongelmat hyötyvät huomattavasti atomitason mallinnuksesta. Laasosen ryhmän pääpaino mallinnuksessa on reaktioiden ymmärtäminen, mutta ryhmä pyrkii myös laajemmin löytämään laskennallisesti uusia materiaaleja esimerkiksi sähkökemiallisille reaktioille.
– Tulevaisuudessa laskennallisesti suunniteltuja – tai ainakin laskennan inspiroimia – materiaaleja alkaa ilmestyä. Samoin kiinnostavien systeemien koko kasvaa koko ajan, Laasonen toteaa.
Laasosen ryhmä käyttää tutkimuksessaan useita miljoonia laskentatunteja vuosittain.
– Katalyyttisysteemit ovat varsin mutkikkaita, joten laskut ovat työläitä ja kuluttavat runsaasti laskenta-aikaa. Laskennan määrä ei ole ainakaan vähenemässä.
Lisätietoja
Aalto-yliopiston tiedote 23.3.2017: Uudella, platinapihillä elektrokatalyytillä saatiin lupaavia tuloksia