Исследователи впервые обнаружили, что один и тот же серебряный (Ag) нанокатализатор может работать на разных реакционных участках в зависимости от того, производит ли твердооксидный элемент электричество или генерирует водород. Это открытие указывает на новый способ проектирования этих энергетических устройств следующего поколения для повышения производительности — зачем довольствоваться одним каталитическим трюком, когда можно иметь два?

Работу возглавили профессора Вучуль Чонг и Чон Ву Хан с кафедры материаловедения и инженерии Сеульского национального университета (SNU) вместе с командой профессора Сан Оук Кима из KAIST и командой доктора Бомгюна Чона из Корейского института фундаментальных наук (KBSI). Их результаты проясняют, как серебряные нанокатализаторы улучшают характеристики твердооксидных элементов, и показывают, что и местоположение, и механизм кислородных реакций меняются в зависимости от того, как используется элемент — немного похоже на швейцарский армейский нож, который решает быть ложкой только тогда, когда вы едите суп.

Твердооксидные элементы перемещают ионы кислорода через твёрдый материал для выполнения двух различных функций: они могут генерировать электричество или расщеплять воду для производства водорода. Благодаря этой универсальности технология рассматривается как важный вариант для расширения использования чистой энергии и водорода. Потенциальные применения варьируются от распределённых систем комбинированного производства тепла и электроэнергии в зданиях и на заводах, которые генерируют электричество, используя высокотемпературное тепло, выделяемое при работе, до производства зелёного водорода на основе возобновляемых источников энергии. Результаты были опубликованы во всемирно известном журнале Energy & Environmental Science и были выбраны в качестве статьи на внешней задней обложке, что подчёркивает их значимость — потому что, очевидно, быть на задней обложке — это научный эквивалент овации.

Определение места работы катализаторов

Производительность и долговечность твердооксидных элементов сильно зависят от того, насколько быстро происходят кислородные реакции на воздушном электроде. Но реальные электроды имеют сложную структуру, что затрудняет исследователям определение того, где именно нанокатализаторы участвуют в этих реакциях и как они улучшают производительность. Более ранние исследования уже показали, что металлические нанокатализаторы могут улучшать работу этих элементов. Оставалось неясным, происходит ли большая часть каталитической активности непосредственно на поверхности катализатора или на границе, где катализатор касается электрода. Исследователи также не знали, отвечает ли один и тот же каталитический механизм за генерацию электричества и производство водорода.

Чтобы изучить эти вопросы, команда создала модельный электрод с тщательно контролируемой структурой и составом, вместо того чтобы полагаться на гораздо более сложную архитектуру обычных электродов. Металлические наночастицы одинакового размера и с одинаковым расстоянием были расположены в упорядоченные структуры, что позволило исследователям гораздо точнее изучить их каталитические роли. Учёные сначала сравнили несколько металлических нанокатализаторов, включая серебро, кобальт, палладий и платину. Каждый был нанесён на тонкоплёночный перовскитный оксидный электрод и испытан на способность ускорять кислородные реакции. Серебро показало самое сильное каталитическое улучшение среди испытанных металлов — получай, платина.

Затем исследователи изменили размер и расположение серебряных наночастиц, чтобы определить, где происходят наиболее важные реакции. Во время реакции восстановления кислорода (генерация электричества) скорость реакции увеличивалась по мере роста длины границы между серебряными наночастицами и электродом. Это показало, что граница раздела между серебром и электродом является основным местом реакции, когда элемент генерирует электричество. Ситуация изменилась во время реакции выделения кислорода (производство водорода). В этом режиме скорость реакции увеличивалась с площадью поверхности серебряных наночастиц. Этот результат показал, что поверхность самих серебряных частиц становится основным местом реакции во время производства водорода.