Onderzoekers hebben voor het eerst ontdekt dat dezelfde zilveren (Ag) nanokatalysator kan werken op verschillende reactieplaatsen, afhankelijk van of een vaste-oxidecel elektriciteit produceert of waterstof genereert. Deze bevinding wijst op een nieuwe manier om deze volgende generatie energieapparaten te ontwerpen voor betere prestaties - want waarom zou je genoegen nemen met één katalytische truc als je er twee kunt hebben?

Het werk werd geleid door professoren WooChul Jung en Jeong Woo Han van de afdeling Materiaalkunde en Techniek aan de Seoul National University (SNU), samen met het team van professor Sang Ouk Kim aan KAIST en het team van dr. Beomgyun Jeong aan het Korea Basic Science Institute (KBSI). Hun resultaten verduidelijken hoe zilveren nanokatalysatoren de prestaties van vaste-oxidecellen verbeteren en tonen aan dat zowel de locatie als het mechanisme van zuurstofreacties verandert afhankelijk van hoe de cel wordt gebruikt - een beetje zoals een Zwitsers zakmes dat besluit alleen een lepel te zijn als je soep eet.

Vaste-oxidecellen verplaatsen zuurstofionen door een vast materiaal om twee verschillende functies uit te voeren: ze kunnen elektriciteit opwekken, of ze kunnen water splitsen om waterstof te produceren. Vanwege deze veelzijdigheid wordt de technologie beschouwd als een belangrijke optie voor het uitbreiden van schone energie en waterstofgebruik. Mogelijke toepassingen variëren van gedistribueerde warmte-krachtkoppeling in gebouwen en fabrieken die elektriciteit opwekken terwijl ze gebruikmaken van de hoge-temperatuurwarmte die tijdens bedrijf vrijkomt, tot groene waterstofproductie op basis van hernieuwbare energie. De bevindingen zijn gepubliceerd in het wereldwijd gerenommeerde tijdschrift Energy & Environmental Science en zijn geselecteerd als een Outside Back Cover-artikel, wat hun belang benadrukt - want blijkbaar is op de achterkant staan het wetenschappelijke equivalent van een staande ovatie.

Precies bepalen waar katalysatoren hun werk doen

De prestaties en duurzaamheid van vaste-oxidecellen hangen sterk af van hoe snel zuurstofreacties plaatsvinden aan de luchtelektrode. Maar echte elektroden hebben gecompliceerde structuren, waardoor het voor onderzoekers moeilijk is om precies te bepalen waar nanokatalysatoren deelnemen aan die reacties en hoe ze de prestaties verbeteren. Eerder onderzoek had al aangetoond dat metalen nanokatalysatoren deze cellen beter kunnen laten werken. Wat onduidelijk bleef, was of het grootste deel van de katalytische activiteit direct op het katalysatoroppervlak plaatsvindt of op de grens waar de katalysator de elektrode raakt. Onderzoekers wisten ook niet of hetzelfde katalytische mechanisme verantwoordelijk was voor zowel elektriciteitsopwekking als waterstofproductie.

Om deze vragen te onderzoeken, creëerde het team een modelelektrode met zorgvuldig gecontroleerde structuur en samenstelling in plaats van te vertrouwen op de veel gecompliceerdere architectuur van conventionele elektroden. Metalen nanodeeltjes met uniforme afmetingen en afstanden werden in geordende patronen aangebracht, waardoor de onderzoekers hun katalytische rollen veel preciezer konden onderzoeken. De wetenschappers vergeleken eerst verschillende metalen nanokatalysatoren, waaronder zilver, kobalt, palladium en platina. Elk werd afgezet op een dunne-film perovskietoxide-elektrode en getest op zijn vermogen om zuurstofreacties te versnellen. Zilver gaf de sterkste katalytische verbetering van de geteste metalen - neem dat maar, platina.

De onderzoekers veranderden vervolgens de grootte en rangschikking van de zilveren nanodeeltjes om te bepalen waar de belangrijkste reacties plaatsvonden. Tijdens de zuurstofreductiereactie (elektriciteitsopwekking) namen de reactiesnelheden toe naarmate de lengte van de grens tussen de zilveren nanodeeltjes en de elektrode groeide. Dit toonde aan dat het grensvlak tussen het zilver en de elektrode de belangrijkste reactieplaats is wanneer de cel elektriciteit opwekt. De situatie veranderde tijdens de zuurstofevolutiereactie (waterstofproductie). In deze modus namen de reactiesnelheden toe met het oppervlak van de zilveren nanodeeltjes. Dat resultaat toonde aan dat het oppervlak van de zilveren deeltjes zelf de primaire reactieplaats wordt tijdens waterstofproductie.