In situ Raman spektrosähkökemiallisen menetelmän kehittäminen keskittyen hiilidioksidin pelkistämiseen - Eloranta, Pulmu (My University, 2022)
Hiilidioksidin muuntaminen erilaisiksi hiilipitoisiksi jatkotuotteiksi on kiinnostava tutkimusaihe ilmakehän hiilidioksidin vähentämiseksi. Hiilidioksidin sähkökemiallisessa katalyysissä tai pelkistämisessä saadaan muodostettua tasaisen potentiaalin tai virran avulla erilaisia hiilipohjaisia yhdisteitä kuten hiilimonoksidia, metaania ja etanolia. Sähkökemiallisessa pelkistämisessä tärkeää ovat käytetty katalyyttimateriaali, sähkökemiallinen kenno ja käytetyt reagenssit sekä niiden puhtaus. Jotta tuotteiden muodostuminen onnistuisi, on otettava huomioon sähkökatalyyttimateriaalin stabiilisuus, selektiivisyys ja faradinen tehokkuus. Raman-spektroskopia perustuu näkyvään valoon ja epäelastiseen fotonien liikkeeseen, mikä aiheuttaa havaitun Raman-sironnan. Ramanilla pystytään tutkimaan erilaisia näytteitä eri olomuodoissa ja saada tietoa esimerkiksi näytteen kemiallisista tai fyysisistä ominaisuuksista. Pintavahvisteisessa Raman-spektroskopiassa (SERS) Raman-signaalin intensiteettiä voidaan vahvistaa karhentamalla elektrodia, jolloin sen aktiivinen pinta-ala suurenee muodostuvien nanorakenteiden ansiosta. Käytetyn metallielektrodin pintaa pystytään karhentamaan esimerkiksi sähkökemiallisesti. Spektrosähkökemiallisissa in situ-menetelmissä tarkastellaan tutkittavaa materiaalia tai kohdetta sähkökemiallisen reaktion aikana, ja suoritetaan samanaikaisesti mittauksia spektroskooppisella menetelmällä. In situ-menetelmät sopivat esimerkiksi hiilidioksidin sähkökemiallisen pelkistysreaktion tutkimiseen, jolloin reaktioon vaikuttavia tekijöitä, katalyyttiä, syntyviä välituotteitta ja reaktioreittejä voidaan karakterisoida. Tämän avulla on mahdollista kehittää käytettyjä materiaaleja ja menetelmiä vielä tehokkaammiksi ja toimivimmiksi. Työssä tutkittiin hiilidioksidin sähkökemiallista pelkistysreaktiota in situ SERS-tekniikan avulla ja kehitettiin tähän tarkoitukseen sähkökemiallinen Raman kenno. Itse rakennettua kennoa optimoitiin sähkökemiallisesti ja Raman-spektroskopialla sen toiminnan varmistamiseksi. Kultaisen työelektrodia karhennettiin kahdella eri tavalla, joita molempia käytettiin kennossa SERS-efektin toiminnan varmistamiseksi. Menetelmää ja sen toimivuutta kehitetyssä kennossa testattiin varsinaisissa in situ Raman-mittauksissa karhennetulla kultaelektrodilla hiilidioksidin pelkistämisreaktion aikana. Kehitetty kenno toimi in situ Raman-mittauksissa hyvin, ja mittaustuloksista havaittiin kultaelektrodilla pelkistysreaktiossa syntyvä hiilimonoksidi.
Keywords: hiilidioksidi, sähkökemiallinen pelkistäminen, Raman-spektroskopia, SERS, in situ-menetelmä