Naukowcy po raz pierwszy odkryli, że ten sam nanokatalizator srebrowy (Ag) może działać w różnych miejscach reakcji, w zależności od tego, czy ogniwo tlenkowe wytwarza energię elektryczną, czy wodór. Odkrycie to wskazuje na nowy sposób projektowania tych urządzeń energetycznych nowej generacji w celu uzyskania lepszej wydajności – bo po co zadowalać się jednym trikiem katalitycznym, skoro można mieć dwa?

Pracą kierowali profesorowie WooChul Jung i Jeong Woo Han z Wydziału Inżynierii Materiałowej i Nauk o Materiałach na Uniwersytecie Narodowym w Seulu (SNU), wraz z zespołem profesora Sanga Ouka Kima z KAIST oraz zespołem dr. Beomgyuna Jeonga z Koreańskiego Instytutu Nauk Podstawowych (KBSI). Ich wyniki wyjaśniają, w jaki sposób srebrne nanokatalizatory poprawiają wydajność ogniw tlenkowych i pokazują, że zarówno lokalizacja, jak i mechanizm reakcji tlenowych zmieniają się w zależności od sposobu użytkowania ogniwa – trochę jak scyzoryk, który decyduje się być łyżką tylko wtedy, gdy jesz zupę.

Ogniwa tlenkowe przenoszą jony tlenu przez materiał stały, aby pełnić dwie różne funkcje: mogą wytwarzać energię elektryczną lub rozszczepiać wodę w celu produkcji wodoru. Ze względu na tę wszechstronność technologia ta jest postrzegana jako ważna opcja dla rozwoju czystej energii i wykorzystania wodoru. Potencjalne zastosowania obejmują rozproszone systemy kogeneracji w budynkach i fabrykach, które wytwarzają energię elektryczną, wykorzystując jednocześnie wysokotemperaturowe ciepło powstające podczas pracy, a także produkcję zielonego wodoru opartą na energii odnawialnej. Wyniki opublikowano w uznanym na całym świecie czasopiśmie Energy & Environmental Science i wybrano je na artykuł z okładki (Outside Back Cover), co podkreśla ich znaczenie – bo najwyraźniej bycie na tylnej okładce jest naukowym odpowiednikiem owacji na stojąco.

Ustalenie, gdzie katalizatory wykonują swoją pracę

Wydajność i trwałość ogniw tlenkowych w dużej mierze zależą od szybkości reakcji tlenowych na elektrodzie powietrznej. Ale prawdziwe elektrody mają skomplikowaną strukturę, co utrudnia naukowcom określenie, gdzie dokładnie nanokatalizatory uczestniczą w tych reakcjach i jak poprawiają wydajność. Wcześniejsze badania wykazały już, że metaliczne nanokatalizatory mogą poprawić działanie tych ogniw. Niejasne pozostawało, czy większość aktywności katalitycznej zachodzi bezpośrednio na powierzchni katalizatora, czy na granicy, gdzie katalizator styka się z elektrodą. Naukowcy nie wiedzieli również, czy ten sam mechanizm katalityczny odpowiada zarówno za wytwarzanie energii elektrycznej, jak i produkcję wodoru.

Aby zbadać te pytania, zespół stworzył modelową elektrodę o starannie kontrolowanej strukturze i składzie, zamiast polegać na znacznie bardziej skomplikowanej architekturze konwencjonalnych elektrod. Nanocząstki metalu o jednolitych rozmiarach i odstępach ułożono w uporządkowane wzory, co pozwoliło naukowcom znacznie dokładniej zbadać ich rolę katalityczną. Naukowcy najpierw porównali kilka nanokatalizatorów metalicznych, w tym srebro, kobalt, pallad i platynę. Każdy z nich osadzono na cienkowarstwowej elektrodzie tlenkowej perowskitu i przetestowano pod kątem zdolności do przyspieszania reakcji tlenowych. Srebro dało najsilniejszą poprawę katalityczną spośród testowanych metali – bierz to, platyno.

Następnie naukowcy zmienili rozmiar i rozmieszczenie nanocząstek srebra, aby określić, gdzie zachodzą najważniejsze reakcje. Podczas reakcji redukcji tlenu (wytwarzanie energii elektrycznej) szybkość reakcji wzrastała wraz z długością granicy między nanocząstkami srebra a elektrodą. To pokazało, że granica między srebrem a elektrodą jest głównym miejscem reakcji, gdy ogniwo wytwarza energię elektryczną. Sytuacja zmieniła się podczas reakcji wydzielania tlenu (produkcja wodoru). W tym trybie szybkość reakcji wzrastała wraz z powierzchnią nanocząstek srebra. Ten wynik pokazał, że powierzchnia samych cząstek srebra staje się głównym miejscem reakcji podczas produkcji wodoru.