اكتشف الباحثون لأول مرة أن نفس الحفاز النانوي الفضي (Ag) يمكن أن يعمل في مواقع تفاعل مختلفة اعتمادًا على ما إذا كانت الخلية الأكسيدية الصلبة تنتج الكهرباء أو تولد الهيدروجين. ويشير هذا الاكتشاف إلى طريقة جديدة لتصميم أجهزة الطاقة من الجيل التالي لتحسين أدائها - لأنه لماذا نكتفي بخدعة تحفيزية واحدة عندما يمكننا الحصول على اثنتين؟

قاد العمل البروفيسور ووتشول جونغ وجيونغ وو هان من قسم علوم وهندسة المواد في جامعة سيول الوطنية (SNU)، مع فريق البروفيسور سانغ أوك كيم في KAIST وفريق الدكتور بومغيون جونغ في المعهد الكوري للعلوم الأساسية (KBSI). توضح نتائجهم كيف تعمل الحفازات النانوية الفضية على تحسين أداء الخلايا الأكسيدية الصلبة، وتظهر أن موقع وآلية تفاعلات الأكسجين تتغيران اعتمادًا على كيفية استخدام الخلية - مثل سكين الجيش السويسري الذي يقرر أن يكون ملعقة فقط عندما تأكل الحساء.

تنقل الخلايا الأكسيدية الصلبة أيونات الأكسجين عبر مادة صلبة لأداء وظيفتين مختلفتين: يمكنها توليد الكهرباء، أو يمكنها تقسيم الماء لإنتاج الهيدروجين. بسبب هذه المرونة، تُعتبر هذه التقنية خيارًا مهمًا لتوسيع استخدام الطاقة النظيفة والهيدروجين. وتتراوح التطبيقات المحتملة من أنظمة الحرارة والطاقة المشتركة الموزعة في المباني والمصانع التي تولد الكهرباء مع الاستفادة من الحرارة العالية الناتجة أثناء التشغيل، إلى إنتاج الهيدروجين الأخضر القائم على الطاقة المتجددة. نُشرت النتائج في المجلة العالمية المرموقة Energy & Environmental Science وتم اختيارها كمقال على الغلاف الخلفي الخارجي، مما يبرز أهميتها - لأنه على ما يبدو، كونك على الغلاف الخلفي هو المعادل العلمي لتصفيق حار.

تحديد مكان عمل الحفازات

يعتمد أداء ومتانة الخلايا الأكسيدية الصلبة بشكل كبير على سرعة تفاعلات الأكسجين عند قطب الهواء. لكن الأقطاب الكهربائية الحقيقية لها هياكل معقدة، مما يجعل من الصعب على الباحثين تحديد أين تشارك الحفازات النانوية في تلك التفاعلات وكيف تحسن الأداء. أظهرت الأبحاث السابقة بالفعل أن الحفازات النانوية المعدنية يمكن أن تجعل هذه الخلايا تعمل بشكل أفضل. ما بقي غير واضح هو ما إذا كان معظم النشاط التحفيزي يحدث مباشرة على سطح الحفاز أو عند الحدود حيث يلامس الحفاز القطب. كما لم يعرف الباحثون ما إذا كانت نفس الآلية التحفيزية مسؤولة عن كل من توليد الكهرباء وإنتاج الهيدروجين.

للتحقيق في هذه الأسئلة، أنشأ الفريق قطبًا كهربائيًا نموذجيًا بهيكل وتكوين مضبوطين بعناية بدلاً من الاعتماد على البنية الأكثر تعقيدًا للأقطاب التقليدية. تم ترتيب الجسيمات النانوية المعدنية بأحجام وتباعد موحد في أنماط منتظمة، مما سمح للباحثين بفحص أدوارها التحفيزية بدقة أكبر. قارن العلماء أولاً العديد من الحفازات النانوية المعدنية، بما في ذلك الفضة والكوبالت والبلاديوم والبلاتين. تم ترسيب كل منها على قطب أكسيد بيروفسكايت رقيق واختبار قدرته على تسريع تفاعلات الأكسجين. أنتجت الفضة أقوى تحسن تحفيزي بين المعادن المختبرة - خذ ذلك، أيها البلاتين.

ثم غيّر الباحثون حجم وترتيب الجسيمات النانوية الفضية لتحديد أين تحدث أهم التفاعلات. أثناء تفاعل اختزال الأكسجين (توليد الكهرباء)، زادت معدلات التفاعل مع زيادة طول الحدود بين الجسيمات النانوية الفضية والقطب. أظهر هذا أن الواجهة بين الفضة والقطب هي موقع التفاعل الرئيسي عندما تولد الخلية الكهرباء. تغير الوضع أثناء تفاعل تطور الأكسجين (إنتاج الهيدروجين). في هذا الوضع، زادت معدلات التفاعل مع مساحة سطح الجسيمات النانوية الفضية. أظهرت هذه النتيجة أن سطح جسيمات الفضة نفسها يصبح موقع التفاعل الأساسي أثناء إنتاج الهيدروجين.