Cercetătorii au descoperit pentru prima dată că același nanocatalizator de argint (Ag) poate opera la diferite situsuri de reacție, în funcție de faptul dacă o celulă cu oxid solid produce electricitate sau generează hidrogen. Descoperirea indică o nouă modalitate de proiectare a acestor dispozitive energetice de ultimă generație pentru o performanță mai bună - pentru că de ce să te mulțumești cu un singur truc catalitic când poți avea două?

Lucrarea a fost condusă de profesorii WooChul Jung și Jeong Woo Han de la Departamentul de Știința Materialelor și Inginerie de la Universitatea Națională din Seul (SNU), împreună cu echipa profesorului Sang Ouk Kim de la KAIST și echipa dr. Beomgyun Jeong de la Institutul de Științe de Bază din Coreea (KBSI). Rezultatele lor clarifică modul în care nanocatalizatorii de argint îmbunătățesc performanța celulelor cu oxid solid și arată că atât locația, cât și mecanismul reacțiilor cu oxigen se schimbă în funcție de modul în care este utilizată celula - un pic ca un briceag elvețian care decide să fie lingură doar atunci când mănânci supă.

Celulele cu oxid solid mută ionii de oxigen printr-un material solid pentru a îndeplini două funcții diferite: pot genera electricitate sau pot descompune apa pentru a produce hidrogen. Datorită acestei versatilități, tehnologia este considerată o opțiune importantă pentru extinderea energiei curate și a utilizării hidrogenului. Aplicațiile potențiale variază de la sisteme distribuite de cogenerare a căldurii și energiei electrice în clădiri și fabrici, care generează electricitate în timp ce valorifică căldura de înaltă temperatură produsă în timpul funcționării, până la producția de hidrogen verde bazată pe energie regenerabilă. Descoperirile au fost publicate în revista renumită la nivel global Energy & Environmental Science și au fost selectate ca articol de copertă interioară spate, subliniind importanța lor - pentru că, aparent, a fi pe coperta din spate este echivalentul științific al unei ovații în picioare.

Identificarea locului unde lucrează catalizatorii

Performanța și durabilitatea celulelor cu oxid solid depind în mare măsură de cât de rapid au loc reacțiile cu oxigen la electrodul de aer. Dar electrozii reali au structuri complicate, ceea ce face dificil pentru cercetători să determine exact unde participă nanocatalizatorii la aceste reacții și cum îmbunătățesc performanța. Cercetările anterioare au arătat deja că nanocatalizatorii metalici pot face aceste celule să funcționeze mai bine. Ceea ce a rămas neclar a fost dacă cea mai mare parte a activității catalitice are loc direct pe suprafața catalizatorului sau la granița unde catalizatorul atinge electrodul. Cercetătorii nu știau nici dacă același mecanism catalitic este responsabil atât pentru generarea de electricitate, cât și pentru producerea de hidrogen.

Pentru a investiga aceste întrebări, echipa a creat un electrod model cu structură și compoziție atent controlate, în loc să se bazeze pe arhitectura mult mai complicată a electrozilor convenționali. Nanoparticule metalice cu dimensiuni și spațiere uniforme au fost aranjate în modele ordonate, permițând cercetătorilor să examineze rolurile lor catalitice mult mai precis. Oamenii de știință au comparat mai întâi mai mulți nanocatalizatori metalici, inclusiv argint, cobalt, paladiu și platină. Fiecare a fost depus pe un electrod subțire de oxid de perovskit și testat pentru capacitatea sa de a accelera reacțiile cu oxigenul. Argintul a produs cea mai puternică îmbunătățire catalitică dintre metalele testate - ia asta, platină.

Cercetătorii au schimbat apoi dimensiunea și aranjamentul nanoparticulelor de argint pentru a determina unde aveau loc cele mai importante reacții. În timpul reacției de reducere a oxigenului (generarea de electricitate), ratele de reacție au crescut pe măsură ce lungimea graniței dintre nanoparticulele de argint și electrod a crescut. Aceasta a arătat că interfața dintre argint și electrod este situsul principal de reacție atunci când celula generează electricitate. Situația s-a schimbat în timpul reacției de evoluție a oxigenului (producerea de hidrogen). În acest mod, ratele de reacție au crescut cu suprafața nanoparticulelor de argint. Acest rezultat a arătat că suprafața particulelor de argint în sine devine situsul principal de reacție în timpul producerii de hidrogen.