null Jyväskylän ja Xiamenin yliopistojen tutkijat selvittivät nanokatalyytin toiminnan atomitasolla

Jyväskylän ja Xiamenin yliopistojen tutkijat selvittivät nanokatalyytin toiminnan atomitasolla

Tommi Kutilainen

Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen ja kiinalaisen Xiamenin yliopiston tutkijat ovat selvittäneet, kuinka atomirakenteeltaan tarkasti tunnetut nanoskaalan kuparipartikkelit toimivat hiili–happi-sidoksen muokkaamisessa, kun ketonimolekyylit muuttuvat alkoholimolekyyleiksi. Orgaanisissa molekyyleissä esiintyvien hiili–happi-sidosten ja hiili–hiili-sidosten muokkaus on tärkeä välivaihe katalyyttisissä reaktioissa, joissa lähtöainetta muutetaan arvokkaiksi lopputuotteiksi.

Katalyyttien toiminnan ymmärtäminen yksittäisen partikkelin atomirakenteen tasolla mahdollistaa niiden kehittämisen haluttuun suuntaan, esimerkiksi tehokkaaksi ja selektiiviseksi tietyn halutun lopputuotteen kannalta. Tutkimus on julkaistu kansainvälisesti arvostetussa nanotieteen alan julkaisusarjassa ACS Nano. Suomessa tutkimusta johti akatemiaprofessori Hannu Häkkinen Jyväskylän yliopistosta.

Kokeiden ja simulaatioiden yhteistyö

Tutkimuksessa käytetyt katalyyttiset kuparipartikkelit valmistettiin Xiamenin yliopistossa ja niiden toimintaa vahvan hiili–happi-sidoksen muokkaamisessa vedytysreaktiossa tutkittiin Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksen tutkijoiden tietokonesimulaatioissa. Kuparipartikkelien tarkka atomirakenne ratkaistiin röntgendiffraktion ja ydinmagneettisen resonanssispektroskopian (NMR) avulla.

Tutkijat käyttivät CSC:n supertietokone Sisun laskenta-aikaa noin kahden miljoonan CPU-tunnin verran. Klusterissa todettiin olevan 25 kupariatomia ja kymmenen vetyä sekä klusterin pintaa suojaamassa 18 tiolimolekyyliä.

–  Alussa simuloimme kuparihydridi-klusterin elektronirakennetta ja totesimme simulointien perusteella, että klusterissa olevat kymmenen vetyä ovat tärkeitä stabiloimaan atomirakenne havaitun kaltaiseksi. Suurin osa laskenta-ajasta meni vedytysreaktioiden yksityiskohtaisten mekanismien tutkimiseen.
Näitten tulosten perusteella pystyimme ennustamaan todennäköisimmän reaktiomekanismin, kertoo Hannu Häkkinen.

Simulaatiot ennustivat, että partikkelin kupariytimeen sitoutuneet vedyt toimivat ikään kuin vetyvarastona, joka luovuttaa kaksi vetyatomia hiili–happi-sidokseen yhden reaktion aikana. Reaktion jälkeen vetyvarasto täydentyy, kun ympäristöstä partikkeliin tarttunut vetymolekyyli hajoaa kahdeksi vetyatomiksi, jotka sitoutuvat jälleen kupariytimeen. Xiamenissa tehdyt NMR-mittaukset paljastivat reaktion välituotteen, mikä vahvisti laskennallisen mallin antamat ennusteet.

– Tämä on ensimmäisiä kertoja maailmassa, kun näin tarkasti rakenteeltaan tunnetun katalyyttipartikkelin toiminta on pystytty selvittämään kokeiden ja simulaatioiden yhteistyöllä.

– CSC:n laskentaresurssit olivat ratkaisevan tärkeitä tässä projektissa, jotta kaikki simuloinnit saatiin tehtyä tehokkaasti suhteellisen lyhyessä ajassa, Hannu Häkkinen kertoo.

Toivoa tehokkaista ja edullisista katalyyteistä

– Perinteisesti vedytysreaktioissa käytetään kalliita platinapohjaisia katalyyttejä. Tämä työ osoittaa, että nanomittakaavan kuparihydridipartikkelit toimivat myös vedytyskatalyytteinä. Saadut tulokset antavat toivoa, että tulevaisuudessa on mahdollista kehittää tehokkaita ja edullisia kuparipohjaisia katalyyttejä funktionalisoitujen orgaanisten molekyylien muuntamiseen korkeamman jalostusarvon tuotteiksi, kertoo laskennallisen katalyysin professori Karoliina Honkala, Hannu Häkkisen yhteistyökumppani.

Häkkisen ja Honkalan tutkimuksessa olivat Jyväskylän yliopistosta mukana myös tutkijatohtori Nisha Mammen, tohtorikoulutettava Sami Kaappa ja senioritutkija Sami Malola. Häkkisen ja Honkalan ryhmien tutkimus on Suomen Akatemian tukemaa. Tutkimuksen tietokonesimuloinnit tehtiin Tieteen tietotekniikan keskus CSC:n supertietokoneilla. Xiamenin yliopistosta tutkimukseen osallistui professori Nanfeng Zhengin ryhmä.

Kuva: Hiili-happi -sidoksen vedytysreaktiossa käytetyn kuparikatalyytin atomirakenne. Simulaatioissa käytetty mallimolekyyli formaldehyridi H2CO (vasemmalla) sieppaa kuparista kaksi vetyä, jotka siirtyvät hiili–happi-sidokseen siten, että molekyyli muuttuu yksinkertaiseksi alkoholiksi (metanoli CH3OH, oikealla).  Reaktion jälkeen ympäristössä oleva vetymolekyyli (sininen, vasemmalla) hajoaa kahdeksi vetyatomiksi kuparin sisään. Kuva: Sami Malola, Jyväskylän yliopisto.

Lisätietoja:

Lähteenä on käytetty Suomen Akatemian tiedotetta.