Rasmus Kronberg: Kesä laskennallisen kemian tutkimusapulaisena
Haaveenani on aina ollut tutkijan ura. Olen ollut onnellinen saadessani tutustua ja työskennellä unelma-ammattini parissa jo toista vuotta Aalto-yliopiston kemian laitoksella tutkimusapulaisena. Mikäli akateeminen urapolku ja tutkiminen kiinnostavat, on Aalto-yliopistossa hyvät mahdollisuudet päästä mukaan tutkimusryhmien toimintaan jo opintojen alusta alkaen.
Viime vuonna pääsin kesätyöläiseksi kemian laitokselle sähkökemiallisen energian konversion ja varastoinnin tutkimusryhmään. Minua kiinnosti yhden teollisuudessa vietetyn kesän jälkeen saada näkökulmia tutkijan arkeen ja tutkimustyön periaatteisiin. Kemiasta ja fysiikasta tasapuolisesti kiinnostuneena on minua aina erityisesti kiehtonut fysikaalisen kemian ala. Lähetin työhakemuksen fysikaalisen kemian ja sähkökemian laboratorioon. Muutaman kuukauden päästä sainkin jo tietää, että olin saanut paikan mainitussa tutkimusryhmässä!
Kesätyöni liittyi typpidoupattujen hiilinanoputkien katalyyttisten ominaisuuksien tutkimiseen. Keskeinen reaktio, jonka katalyysiä tutkimme, oli sähkökemiallinen vedynkehitysreaktio. Se on veden elektrolyysin katodinen puolireaktio, jossa elektrolyytin vetyionit yhdistyvät muodostaen vetykaasua.
Kesätyö oli hauskaa ja opettavaista. Vaikka sähkökemian tietämykseni olivat hyvin rajatut kesän alussa, opin keskeiset periaatteet hyvin nopeasti, ja sain paljon arvokasta käytännön kokemusta. Mikä parasta, minulle tarjottiin kesän jälkeen mahdollisuus jatkaa sähkökatalyyttien tutkimusta osa-aikaisena työntekijänä opiskeluiden ohessa!
Tänä kesänä olen siis jälleen täällä ”FyKe:llä”. Nyt kokeellisen tutkimuksen sijaan tutkin sähkökatalyyttejä tietokoneavusteisin menetelmin laskennallisen kvanttikemian tutkimusryhmässä. Työssä keskityn pääasiassa molybdeenisulfidin (MoS2) katalyyttisen aktiivisuuden mallintamiseen, kohdereaktiona jälleen kerran vedynkehitysreaktio. Erityisessä roolissa on MoS2:n ja veden välinen rajapinta, jonka rakennetta ja vaikutusta ei vedynkehitysreaktion kannalta aikaisemmin ole tutkittu.
Työssä käytän niin kutsuttua CP2K-kvanttikemiaohjelmistoa. Sen avulla saan mallinnettua systeemin ominaisuuksia, kuten adsorptioenergioita, elektronirakenteita ja molekyylidynamiikkaa. Laskut pohjautuvat tiheysfunktionaaliteoriaan (DFT). Se perustuu siihen, että systeemin kaikki halutut ominaisuudet voidaan johtaa sen elektronitiheydestä. Laskut ovat aivan liian vaativia tavallisella pöytäkoneella suoritettaviksi, joten tutkimuksessa etäkäytän tieteen tietotekniikan keskuksen (CSC) Sisu-supertietokonetta. Tästä huolimatta simulaatioihin kuluu aina aikaa useita tunteja, jopa päiviä!
Kuvasarja vedynkehitysreaktion desorptiovaiheesta MoS2-pinnalla. Kaksi pintaan adsorboitunutta vetyatomia yhdistyvät ja desorboituvat muodostaen vetymolekyylin n.k. Tafel-reaktiossa.
Miksi juuri molybdeenisulfidi? Vetykaasun elektrolyyttinen tuottaminen vettä elektrolysoimalla on hyvin vanha keksintö, ja prosessi sujuu hyvinkin nopeasti jo olemassaolevien katalyyttien avulla. Ongelmana on kuitenkin, että suurin osa tunnetuista korkean aktiivisuuden omaavista katalyyttimateriaaleista ovat jaloja platinaryhmään kuuluvia metalleja. Nämä ovat hyvin kalliita, ja metallien esiintyvyys maan kuoressa hyvin alhainen.
Fossiilisten polttoaineiden syrjäyttämiseen kaavailtu vetykaasu ja sen konvertoiminen polttokennossa edellyttää halvan ja tehokkaan menetelmän vetykaasun tuottamiseksi. Tämä ei ole mahdollista, jos emme saa kehitettyä platinaa vastaavan aktiivisuuden omaavaa materiaalia. MoS2 on osoittautunut hyväksi ehdokkaaksi tähän tarkoitukseen, mutta ongelmana on vain tiettyjen MoS2 -pintojen (kuten reunat ja tietyt metastabiilit muodot) aktiivisuus.
Kesätyössäni yritän siis selvittää, miksi tietyt pinnat ovat aktiivisia, kun taas toiset eivät, ja miten vesi käyttäytyy näiden pintojen ympärillä. Pyrin myös mallintamaan vedyn adsorboitumista systeemin eri pinnoille ja selvittämään, miten erilaiset vierasatomit voisivat mahdollisesti parantaa MoS2:n ei-aktiivisten kohtien katalyysitehokkuutta.
Kesätyöni alkaa vähitellen olla puolivälissä. Alun ohjelmistoihin ja teorioihin tutustumisen jälkeen työ on alkanut sujua hyvin sutjakasti. CSC:n supertietokone rouskuttaa lähettämiäni laskuja, ja tuloksia kerääntyy hitaasti, mutta varmasti. Tulokset analysoidaan, ja niiden pohjalta suunnittelen ohjaajani kanssa uusia laskuja, joiden avulla voimme syvällisemmin ymmärtää esiin tulleita ilmiöitä. Sillä tutkimustyön raportointi on ensisijaisen tärkeää, tulevat loppukesää kohden ajankohtaiseksi kesätyöraportin kirjoittaminen ja siihen liittyvän seminaariesitelmän valmisteleminen. Näissä menetelmät ja tulokset esitellään. Tavoite on, että kesätyön tuloksia käytettäisiin edelleen tulevissa tutkimuksissa siten, että ne loppujen lopuksi voivat päätyä tieteelliseen julkaisuun. Peukut pystyyn tämän puolesta!
Rasmus Kronberg
Lue seuraavaksi
Matias Lönnblad, Prefere Resins Finland: Mieleen on jäänyt monenlaisia tekniikoita ja analyysimetodeja
Erin Pettersson, Borealis: Parasta työssäni on työtehtävien vaihtelevuus ja monipuolisuus
