”Katalyysi on mukana hyvin useassa asiassa, mikä ei näy meille niin suoraan lopputuotteena. Emme tule ajatelleeksi, kuinka monen tuotteen aikaansaamiseksi on tarvittu katalyysia. Sitä tarvitaan esimerkiksi monien hienokemikaalien tuottamiseen ja fossiilisten polttoaineiden puhdistukseen esimerkiksi öljynjalostuksessa”, Honkala kertoo.

Erilaisia katalysaattoreita käytetään muun muassa ilman ja veden puhdistamiseen: autojen pakokaasukatalyysi on yksi esimerkki katalyysin aikaansaamasta ilman puhdistamisesta.

”Katalyysin avulla torjutaan myös nälkää. Ammoniakki on lannoite, ja sitä valmistetaan katalyyttisesti.”

Kuva: Akatemiatutkija Karoliina Honkala tutkii katalyysia laskennallisin menetelmin. © Anni Jacobsson

Nanokulta on katalyytti

Honkala on tutkinut muun muassa nanokokoisen kullan katalyyttisia ominaisuuksia: pienten kultaklustereiden elektronisia ja rakenteellisia ominaisuuksia sekä sitä, miten happimolekyylit sitoutuvat pieniin kultaklustereihin.

Hyvin pienet kultaklusterit, eli kultapartikkeleista muodostuneet rypäät, ovat katalyyttisesti hyvin aktiivisia. Tavalliset arkielämän esineet, kuten sormukset, säilyttävät kiiltonsa lähes loputtomiin, koska suurikokoisena kulta ei reagoi kemiallisesti muiden aineiden kanssa. Sen sijaan pienet, millimetrin miljoonasosan kokoiset, kultaiset hiukkaset ovat erittäin reaktioherkkiä.

”Noin 20 vuotta sitten havaittiin, että kulta on nanokoossa hyvin aktiivinen.”

Katalyyttipartikkelit ovat metallia, jotka ovat aina jonkun kantaja-aineen päällä. Honkalan tutkimusryhmässä kultaklustereiden ominaisuuksia on tutkittu ohuilla siirtymämetallin (molybdeeni) päällä kasvatetuilla metallioksidikalvoilla. Honkalan ryhmä on tutkinut kultaklustereita myös hopean päällä olevalla magnesiumoksidikalvolla. Kultahiukkasten katalyyttiset ominaisuudet riippuvat muun muassa kultaklustereiden koosta, sähkövarauksesta ja muodosta sekä siitä, kuinka elektronit ovat näihin ryppäisiin sitoutuneet. Näihin puolestaan vaikuttaa se ympäristö, esimerkiksi metallioksidikalvon paksuus, jossa hiukkaset ovat.

Minkälaissa tilanteissa nanokokoisia kultaklustereita voisi sitten käyttää?

”Se jää nähtäväksi, voidaanko niitä käyttää teollisesti. Teollisuudessa hieman toisenlaiset kysymykset tulevat tärkeiksi, kuten esimerkiksi hinta ja valmistustekniikat. Teollisuudessa myös kestävyys on tärkeää. Ei riitä, että katalyytti toimii hyvin päivän tai viikon. Jos yhteen prosessiin ei tarvitse hirveästi kultaa ja jos se on oleellinen jollekin reaktiolle, jossa perinteisempi materiaali ei toimi, voi nanokulta olla hyvin tärkeä osatekijä.”

”Kyllä tutkimus on kuitenkin vielä paljolti sitä, että yritetään ymmärtää, miksi pienet kultapartikkelit ovat niin aktiivisia. Kollegani Hannu Häkkinen on tutkinut kultapartikkeleita nanomateriaalin rakennuskomponentteina.”

Katalyyttipartikkelit muuttuvat

Honkala on tutkinut ryhmänsä kanssa myös katalyyttipartikkelien, esimerkiksi palladiumin ominaisuuksien muuttumista katalyysin aikana. Palladium on yksi yleisimmin käytetyistä katalyyttipartikkeleista.

”Olemme yrittäneet ymmärtää, miksi ne ominaisuudet, jotka katalyyttipartikkelilla aluksi ovat, saattavat muokkautua.”

Jos kyseessä on hiilivetyyn liittyvä katalyysi, reaktiossa syntyvät hajoamistuotteet tunkeutuvat metallipinnan alle ja muokkaavat katalyyttipartikkelia.

”Usein lasketaan, että katalyyttipartikkelin pinta pysyy ideaalisena myös reaktion aikana, mutta näin ei välttämättä ole. Tämä oli päänavaus siihen suuntaan.”

Sidoksien katkaisemista ja luomista

Honkalan ryhmässä on myös pyritty ymmärtämään, miten erilaiset metallipinnat sitovat molekyyleja, ja miten metallipinnat auttavat katkaisemaan tai luomaan sidoksia.

”Pyrimme ymmärtämään miten voimme valikoidusti katkaista tai luoda jonkin tietyn sidoksen. Tätä varten olemme mallintaneet erilaisia metallipintoja, joihin olemme luoneet atomitasolla erilaisia askelmia. Olemme tutkineet, voidaanko askelmien avulla kontrolloida sitä, mikä sidos katkaistaan. Tai toisaalta jos askelmia otetaan metallipinnalta pois, pystymmekö sillä tavalla kontrolloimaan prosessia.”

Suurempia malleja

Karoliina Honkala väitteli filosofian tohtoriksi Oulun yliopistosta pääaineenaan fysikaalinen kemia vuonna 2001, jonka jälkeen hän siirtyi tutkijaksi Tanskan teknilliseen yliopistoon. Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksessa Honkala aloitti akatemiatutkijana vuonna 2005. Kuinka laskennallinen tiede on muuttunut vuosien aikana?

”Minun kokemukseni alkaa vuodesta 1996, jolloin minusta tuli jatko-opiskelija. Silloin ohjelmistot piti kääntää ja portata itse. Nythän tämä on todella helppoa siihen verrattuna. On suuri etu, että CSC tukee ja ylläpitää ohjelmistoja, muuten se olisi tutkijoille ja opiskelijoille rankempaa”, Honkala kertoo.

Entä sitten itse tutkimus, kuinka koneiden tehojen kasvu on näkynyt tutkimuksissasi?

”Jos ajattelen ihan tätä omaa kenttää, silloin 1990-luvun puolivälissä laskettiin jotain yksittäistä atomia ja molekyyli oli kova sana. Nyt kuitenkin pystytään laskemaan pieniä klustereita oksidien päällä, aika mutkikkaitakin reaktioita eri pinnoilla. Kyllä se on kasvanut vauhdilla. Isompien resurssien ansiosta voimme tutkia suurempia malleja. Ainahan sitä pyritään menemään sillä veitsenterällä, mitä näillä resursseilla pystyy tekemään.”

Anni Jakobsson