Forscher haben zum ersten Mal entdeckt, dass derselbe Silber-Nanokatalysator (Ag) je nachdem, ob eine Festoxidzelle Strom erzeugt oder Wasserstoff produziert, an unterschiedlichen Reaktionsorten arbeitet. Diese Erkenntnis weist auf einen neuen Weg hin, diese Energietechnologien der nächsten Generation für bessere Leistung zu entwerfen – denn warum sich mit einem katalytischen Trick zufriedengeben, wenn man zwei haben kann?

Die Arbeit wurde von den Professoren WooChul Jung und Jeong Woo Han vom Fachbereich Materialwissenschaft und Werkstofftechnik der Seoul National University (SNU) zusammen mit dem Team von Professor Sang Ouk Kim am KAIST und dem Team von Dr. Beomgyun Jeong am Korea Basic Science Institute (KBSI) geleitet. Ihre Ergebnisse klären, wie Silber-Nanokatalysatoren die Leistung von Festoxidzellen verbessern, und zeigen, dass sich sowohl der Ort als auch der Mechanismus der Sauerstoffreaktionen je nach Nutzung der Zelle ändern – ein bisschen wie ein Schweizer Taschenmesser, das sich entscheidet, nur beim Suppenessen ein Löffel zu sein.

Festoxidzellen bewegen Sauerstoffionen durch ein festes Material, um zwei verschiedene Funktionen zu erfüllen: Sie können Strom erzeugen oder Wasser spalten, um Wasserstoff zu produzieren. Aufgrund dieser Vielseitigkeit gilt die Technologie als wichtige Option für den Ausbau sauberer Energie und Wasserstoffnutzung. Mögliche Anwendungen reichen von dezentralen Kraft-Wärme-Kopplungssystemen in Gebäuden und Fabriken, die Strom erzeugen und gleichzeitig die bei hohen Temperaturen entstehende Wärme nutzen, bis hin zur grünen Wasserstoffproduktion auf Basis erneuerbarer Energien. Die Ergebnisse wurden in der weltweit renommierten Zeitschrift Energy & Environmental Science veröffentlicht und als Outside Back Cover-Artikel ausgewählt, was ihre Bedeutung unterstreicht – denn offenbar ist es auf dem Cover zu sein das wissenschaftliche Äquivalent zu stehenden Ovationen.

Lokalisierung der Arbeit von Katalysatoren

Die Leistung und Haltbarkeit von Festoxidzellen hängen stark davon ab, wie schnell Sauerstoffreaktionen an der Luftelektrode ablaufen. Aber echte Elektroden haben komplizierte Strukturen, was es Forschern erschwert, genau zu bestimmen, wo Nanokatalysatoren an diesen Reaktionen teilnehmen und wie sie die Leistung verbessern. Frühere Forschung hatte bereits gezeigt, dass Metall-Nanokatalysatoren diese Zellen besser arbeiten lassen. Unklar blieb, ob die meiste katalytische Aktivität direkt auf der Katalysatoroberfläche oder an der Grenze stattfindet, wo der Katalysator die Elektrode berührt. Forscher wussten auch nicht, ob derselbe katalytische Mechanismus sowohl für die Stromerzeugung als auch für die Wasserstoffproduktion verantwortlich ist.

Um diese Fragen zu untersuchen, erstellte das Team eine Modellelektrode mit sorgfältig kontrollierter Struktur und Zusammensetzung, anstatt sich auf die viel kompliziertere Architektur herkömmlicher Elektroden zu verlassen. Metallnanopartikel mit einheitlichen Größen und Abständen wurden in geordneten Mustern angeordnet, sodass die Forscher ihre katalytischen Rollen viel präziser untersuchen konnten. Die Wissenschaftler verglichen zunächst mehrere Metall-Nanokatalysatoren, darunter Silber, Kobalt, Palladium und Platin. Jeder wurde auf einer Dünnschicht-Perowskit-Oxid-Elektrode abgeschieden und auf seine Fähigkeit getestet, Sauerstoffreaktionen zu beschleunigen. Silber zeigte die stärkste katalytische Verbesserung unter den getesteten Metallen – nimm das, Platin.

Anschließend änderten die Forscher die Größe und Anordnung der Silbernanopartikel, um zu bestimmen, wo die wichtigsten Reaktionen stattfanden. Während der Sauerstoffreduktionsreaktion (Stromerzeugung) stiegen die Reaktionsraten mit der Länge der Grenze zwischen den Silbernanopartikeln und der Elektrode. Dies zeigte, dass die Grenzfläche zwischen Silber und Elektrode der Hauptreaktionsort ist, wenn die Zelle Strom erzeugt. Die Situation änderte sich während der Sauerstoffentwicklungsreaktion (Wasserstoffproduktion). In diesem Modus stiegen die Reaktionsraten mit der Oberfläche der Silbernanopartikel. Dieses Ergebnis zeigte, dass die Oberfläche der Silberpartikel selbst während der Wasserstoffproduktion zum primären Reaktionsort wird.