Nikkeli- ja kobolttiyhdisteiden vetypelkistyksen kinetiikka

Vedyn avulla toteutettava metalliyhdisteiden pelkistys on vähähiilinen tapa tuottaa puhtaita metalleja. Tässä väitöstutkimuksessa tarkasteltiin erilaisten jauhemaisten nikkeli- ja kobolttiyhdisteiden vetypelkistyksen reaktiokinetiikkaa ja mekanismeja eli reaktionopeuksia ja pelkistymisen etenemistä eri lämpötiloissa. Aikaisempi tutkimus on keskittynyt erityisesti nikkeli- ja kobolttioksidien pelkistämiseen. Metallien valmistuksen lähtöaineina voidaan kuitenkin käyttää myös karbonaatteja ja hydroksideja, joiden käyttäytymistä vetypelkistyksessä tunnetaan heikommin.

Termogravimetrisistä kokeista saatavaa massanmuutosdataa analysoitiin erilaisin matemaattisin menetelmin, sekä kobolttijauheiden reaktiomekanismeihin syvennyttiin vetyuunissa suoritettujen keskeytyskokeiden avulla, joka mahdollisti välituotteiden mikroskooppisen tarkastelun, sekä kiderakenteiden kehittymisen tutkimisen. Tutkimusmenetelmät vahvistivat, että reaktionopeus kasvaa lämpötilaa nostettaessa ja, että monivaiheisen pelkistymisen tarkastelu yksiselitteisesti yhdellä matemaattisella reaktiomallilla ei aina ole mahdollista. Kunkin lähtöaineen pelkistymiselle laskettu aktivaatioenergia osoitti, että hydroksidit ja karbonaatit tarvitsevat vähemmän energiaa reaktion käynnistämiseksi verrattuna oksideihin. Tutkimuksissa havaittiin selkeästi, kuinka lähtöaine vaikuttaa merkittävästi pelkistymisen mekanismeihin. Kobolttihydroksidien pelkistyminen eteni nukleaation kautta, eli uusi rakenne muodostui pienten ytimien muodostumisen ja kasvamisen kautta. Kobolttikarbonaatin pelkistyminen taas alkoi partikkelin pinnalta ja eteni kohti partikkelin ydintä.

Väitöskirja osoittaa, kuinka lähtöaineen valinnalla on merkitystä pelkistysprosessiin ja miten sen avulla voidaan vaikuttaa lopputuotteeseen. Tutkimus tuottaa lisätietoa nikkeli- ja erityisesti kobolttiyhdisteiden vetypelkistyksestä, mitä voidaan hyödyntää teollisia prosesseja suunniteltaessa.