Tehdyt toimenpiteet
Kvanttikokoluokan ilmiöt kultarypään katalysoimassa hapetusreaktiossa
26.03.2010
Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa ja fysiikan ja kemian laitoksissa toimiva professori Hannu Häkkisen johtama tutkijaryhmä tutki ligandeilla suojattujen pienten kultarypäiden katalyyttisiä ominaisuuksia hiilimonoksidin hapetuksessa hiilidioksidiksi.
Pienten, nanometrikokoluokan kultarypäiden tiedetään toimivan tehokkaina katalyytteinä hapetusreaktioissa huoneenlämpötilassa ja normaalissa ilmanpaineessa. Tutkijat tarkastelivat 1,2 – 2,4 nm (nanometri, millimetrin miljoonasosa) kokoisia kultarypäitä ja havaitsivat tiheysfunktionaalilaskujen avulla, että kultarypään koko ja sen elektronirakenteen kvanttikokoluokan ilmiöt ovat ratkaisevassa asemassa ilman sisältämän happimolekyylin hajottamisessa, sitoutumisessa ja aktivoitumisessa partikkelin pintaan. Vain pienimmät (1,2 – 1,8 nm) kultarypäät sitovat happimolekyylejä ja katalysoivat hiilimonoksidin hapettumisreaktiota merkittävästi. Suurempien rypäiden elektronirakenne lähestyy makroskooppisen kultapinnan elektronirakennetta ja makroskooppisen kultapinnat ovat kemiallisesti inerttejä (ei-aktiivisia).
Pienten kultarypäiden pinta suojataan ligandeilla eli pintaan kiinnittyvillä pienillä yhdisteillä, jotta pieni kultaryväs olisi stabiili, ja suojauksen osittainen poistaminen aktivoi katalyytin. Tutkimus antaa lisäymmärrystä pienten kultarypäiden stabiloinnista ja toiminnasta katalyytteinä. Tutkimus antaa suuntaviitteitä ympäristökemian sovelluksiin, joissa ligandeilla suojatuista kultarypäistä voidaan rakentaa energiaystävällisiä ja ympäristöystävällisiä hapetuskatalyyttejä. Kultarypäät ovat katalyyttisesti aktiivisia jopa hyvin matalissa lämpötiloissa (-100 Celcius-asteesta +50 Celcius-asteeseen).
Artikkeli tutkimuksesta julkaistiin 24.3.2010 erittäin arvostetussa Nature Chemistry -lehdessä. Tutkimuksessa käytettiin CSC:n superlaskentaresursseja ja GPAW-ohjelmistoa. GPAW on tiheysfunktionaaliteoriaan perustuva vapaan lähdekoodin ohjelmistopaketti kvanttimekaanisiin simulaatioihin. CSC on kehittänyt GPAW:ia yhteistyössä Aalto-yliopiston, Tampereen teknillisen yliopiston, Jyväskylän yliopiston ja Tanskan teknillisen korkeakoulun kanssa.
Lisätietoja
Olga Lopez-Acevedo, Katarzyna Kacprzak, Jaakko Akola ja Hannu Häkkinen: Quantum size effects in ambient CO oxidation catalyzed by ligand-protected gold clusters. Nature Chemistry 2, 329 - 334 (2010)
CSC - Tieteen tietotekniikan keskus Oy on voittoa tavoittelematon opetusministeriön hallinnoima osakeyhtiö, joka tarjoaa korkeakouluille ja tutkimuslaitoksille tietoteknistä tukea ja resursseja: mallinnus-, laskenta- ja tietopalveluja. Tutkijat voivat käyttää Suomen laajinta tieteellisten ohjelmistojen ja tieteen tietokantojen valikoimaa sekä Suomen tehokkaimpia supertietokoneita Funet-tietoliikenneyhteyksien kautta.
