研究者らは、同じ銀（Ag）ナノ触媒が、固体酸化物セルが発電するか水素を生成するかによって、異なる反応サイトで動作することを初めて発見した。この発見は、これらの次世代エネルギー装置をより良い性能に設計する新しい方法を示している。なぜなら、1つの触媒トリックで満足するより、2つ持つ方が良いからだ。

この研究は、ソウル大学校（SNU）材料工学科のWooChul Jung教授とJeong Woo Han教授、KAISTのSang Ouk Kim教授のチーム、韓国基礎科学研究院（KBSI）のBeomgyun Jeong博士のチームが主導した。彼らの結果は、銀ナノ触媒が固体酸化物セルの性能をどのように向上させるかを明らかにし、酸素反応の場所とメカニズムの両方がセルの使用方法によって変化することを示している。これは、スープを飲むときだけスプーンになることを決めるスイスアーミーナイフのようなものだ。

固体酸化物セルは、固体材料を通して酸素イオンを移動させ、発電または水を分解して水素を生成するという2つの異なる機能を実行する。この多用途性のため、この技術はクリーンエネルギーと水素利用を拡大するための重要な選択肢と見なされている。潜在的な用途は、建物や工場での分散型コージェネレーションシステム（発電しながら運転中に発生する高温熱を利用する）から、再生可能エネルギーに基づくグリーン水素製造まで多岐にわたる。この発見は、世界的に有名なジャーナル『Energy & Environmental Science』に掲載され、Outside Back Cover記事に選ばれた。その重要性が強調されている。なぜなら、どうやらバックカバーに載ることは、科学的なスタンディングオベーションに相当するからだ。

触媒が働く場所を特定する

固体酸化物セルの性能と耐久性は、空気極での酸素反応の速さに大きく依存する。しかし、実際の電極は複雑な構造をしており、研究者がナノ触媒がこれらの反応にどこで関与し、どのように性能を向上させるかを正確に判断することを困難にしている。以前の研究では、金属ナノ触媒がこれらのセルをより良く機能させることができることがすでに示されていた。不明だったのは、触媒活性の大部分が触媒表面で直接起こるのか、それとも触媒が電極に接触する境界で起こるのかということだった。また、同じ触媒メカニズムが発電と水素生成の両方に関与しているかどうかもわかっていなかった。

これらの疑問を調査するために、チームは従来の電極のより複雑な構造に頼るのではなく、慎重に制御された構造と組成を持つモデル電極を作成した。均一なサイズと間隔の金属ナノ粒子が規則的なパターンで配置され、研究者はそれらの触媒的役割をより正確に調べることができた。科学者らはまず、銀、コバルト、パラジウム、白金を含むいくつかの金属ナノ触媒を比較した。それぞれを薄膜ペロブスカイト酸化物電極に堆積させ、酸素反応を加速する能力を試験した。銀は試験した金属の中で最も強い触媒改善を示した。どうだ、白金。

次に研究者らは、銀ナノ粒子のサイズと配置を変えて、最も重要な反応がどこで起こっているかを決定した。酸素還元反応（発電）中、反応速度は銀ナノ粒子と電極の間の境界の長さが増すにつれて増加した。これは、セルが発電しているとき、銀と電極の間の界面が主な反応サイトであることを示している。状況は酸素発生反応（水素生成）中に変化した。このモードでは、反応速度は銀ナノ粒子の表面積とともに増加した。この結果は、水素生成中は銀粒子自体の表面が主な反応サイトになることを示している。