EN

Tiedote 1.10.2010

Hapetuskatalyytteinä toimivien kultananopartikkelien mysteeri ratkaistu

Hapetusreaktioita katalysoivien kultananopartikkelien mysteeri on osittain ratkaistu. Kulta voi katalysoida hapetusreaktion hapetuttuaan ensin itse. Uudet tutkimustulokset kullan ja hapen vuorovaikutuksesta huoneenlämpötilassa ja ilmakehän paineessa auttavat vihdoin ymmärtämään katalyyttisten kultananopartikkelien toimintamekanismeja noissa olosuhteissa.

”Tällä on merkitystä, jos halutaan suunnitella hapetuskatalyyttejä jotka pystyvät käyttämään ympäröivän ilmakehän happea reaktion aikana. Matalissa lämpötiloissa toimivat katalyytit ovat merkityksellisiä tulevaisuudessa energiatehokkuuden kannalta”, toteaa akatemiatutkija Karoliina Honkala Jyväskylän yliopiston Nanotiedekeskuksesta (NSC).

Kyseessä on NSC:n tutkijoiden löytämä uusi mekanismi kultananopartikkeleiden ja happimolekyylin väliselle vuorovaikutukselle. Simulaatiot osoittavat, että kultananopartikkelin reunalle syntyy ketjumainen kultaoksidifaasi. Mekanismin ennustetaan hallitsevan normaaleissa olosuhteissa, jotka vastaavat yhden ilmakehän painetta ja huoneenlämpötilaa.

Tutkimus julkaistiin kansainvälisesti johtavassa kemian lehdessä Angewandte Chemie syyskuussa. Tutkimus on osa Karoliina Honkalan akatemiatutkijaprojektia ja se tehtiin yhteistyössä professori Hannu Häkkisen kanssa. Simulaatiot suoritettiin Tieteen tietotekniikan keskuksen CSC:n supertietokoneilla.

Tutkimuksessa kultapartikkelit altistettiin happimolekyyleille. Simulaatiot osoittivat, että yksikin partikkeli pystyy sitomaan useita happimolekyylejä partikkelin reunalle heikentäen molekyylien happi-happi-sidosta. Kun huomioitiin lämpötilan ja paineen vaikutukset, tulokset ennustivat, että happimolekyylit hajoavat partikkelin reunalla muodostaen ketjumaisia kulta-happi-lankoja (ks. kuva). Ketjujen happiatomit ovat negatiivisesti ja kulta-atomit positiivisesti varattuja, jolloin systeemi muistuttaa yksiulotteista kultaoksidia. Nämä ketjut ovat todennäköisesti kultapartikkelin aktiivinen osa hiilimonoksidin hapettumisessa hiilidioksidiksi huoneen lämpötilassa.

Simulaatioiden ennustama atomirakenne hapen kanssa vuorovaikuttavan kultapartikkelin reunalla. Reunalle muodostuu kulta-happi-ketjuja (kulta: harmaa, happi: vaaleanpunainen). Partikkeli on magnesiumoksidifilmin päällä (magnesium: vihreä, happi: punainen).  Numerot viittaavat atomien varauksiin (yksikkönä elektronin varaus).

Tutkijat Pentti Frondelius, Hannu Häkkinen ja Karoliina Honkala tarkastelivat yhden atomikerroksen paksuisia kultananopartikkeleita, joissa on 10-20 atomia. Partikkelit ovat hopean päälle kasvatetulla magnesiumoksidi-filmillä. Tällaisia rakenteita voidaan valmistaa kokeellisesti, ja viime vuonna jyväskyläläiset julkaisivat yhteistutkimuksen berliiniläisen Fritz-Haber-Instituutin professorin Hans-Joachim Freundin ryhmän kanssa näiden rakenteiden ominaisuuksista. (http://prl.aps.org/abstract/PRL/v102/i20/e206801)

Jo 1980-luvulta lähtien on tiedetty, että kultananopartikkelit ovat yllättävän aktiivisia katalyyttejä monissa teollisesti tärkeissä kemiallisissa reaktioissa, joiden edellytyksenä on happimolekyylien tai hiilivetyjen atomisidosten heikkeneminen. Huoneenlämpötilassa tapahtuva hiilidioksidin muodostuminen hiilimonoksidista ja happimolekyylistä on yksi tutkituimmista prosesseista. Useiden eri tekijöiden on ehdotettu vaikuttavan kullan kykyyn heikentää happi-happi-sidosta happimolekyylissä, mitä pidetään tämän reaktion rajoittavana askeleena.

”Nyt julkaistu tutkimuksemme antaa uuden näkökulman lähestyä ongelmaa. Kultaoksidin muodostuminen, eli kullan itsensä hapettuminen, on ristiriidassa makroskooppisen kultametallin tunnettujen ominaisuuksien kanssa. Nanometrien mittakaavasssa kaikki kuitenkin näyttää olevan mahdollista”, toteaa professori Häkkinen.

Lisätietoja antaa professori Hannu Häkkinen, sp. hannu.j.hakkinen@jyu.fi, p. (014) 260 4719

Pentti Frondelius, Hannu Häkkinen and Karoliina Honkala: “Ambient formation of gold(I) edge-oxide at flat gold nanoclusters on an ultra-thin MgO film
http://dx.doi.org/10.1002/anie.201003851

(X. Lin, N. Nilius, H.-J. Freund, M. Walter, P. Frondelius, K. Honkala, H. Häkkinen, "Quantum well states in two-dimensional gold clusters on MgO thin films", Phys. Rev. Lett. 102, 206801 (2009)) http://prl.aps.org/abstract/PRL/v102/i20/e206801

Suomen Akatemian viestintä
tiedottaja Leena Vähäkylä
p. 09 7748 8327
etunimi.sukunimi@aka.fi 

Seuraa meitä:
FacebookSlideshareTwitterYoutube
VAIHDE 029 533 5000
KIRJAAMO 029 533 5049
FAKSI 029 533 5299
   
SÄHKÖPOSTI etunimi.sukunimi@aka.fi
AUKIOLO Arkisin 8.00-16.15
   
HENKILÖHAKU »
YHTEYSTIEDOT, LASKUTUS  JA
REKISTERISELOSTEET»
KYSYMYKSET JA PALAUTE »