Forskare har för första gången upptäckt att samma silver (Ag) nanokatalysator kan arbeta vid olika reaktionsställen beroende på om en fastoxidcell producerar elektricitet eller genererar väte. Upptäckten pekar på ett nytt sätt att designa dessa nästa generations energianordningar för bättre prestanda – för varför nöja sig med ett katalytiskt trick när man kan ha två?

Arbetet leddes av professorerna WooChul Jung och Jeong Woo Han vid institutionen för materialvetenskap och teknik vid Seoul National University (SNU), tillsammans med professor Sang Ouk Kims team vid KAIST och Dr. Beomgyun Jeongs team vid Korea Basic Science Institute (KBSI). Deras resultat klargör hur silver-nanokatalysatorer förbättrar fastoxidcellers prestanda och visar att både platsen och mekanismen för syrereaktioner ändras beroende på hur cellen används – lite som en schweizisk armékniv som bestämmer sig för att vara en sked bara när du äter soppa.

Fastoxidceller flyttar syrejoner genom ett fast material för att utföra två olika funktioner: de kan generera elektricitet, eller så kan de dela vatten för att producera väte. På grund av denna mångsidighet anses tekniken vara ett viktigt alternativ för att utöka användningen av ren energi och väte. Potentiella tillämpningar sträcker sig från distribuerade kraftvärmesystem i byggnader och fabriker som genererar elektricitet samtidigt som de utnyttjar den höga temperaturvärme som produceras under drift, till förnybar energibaserad grön vätgasproduktion. Resultaten publicerades i den globalt ansedda tidskriften Energy & Environmental Science och valdes ut som en Outside Back Cover-artikel, vilket understryker deras betydelse – för tydligen är att vara på baksidan den vetenskapliga motsvarigheten till en stående ovation.

Att peka ut var katalysatorer gör sitt jobb

Prestandan och hållbarheten hos fastoxidceller beror i hög grad på hur snabbt syrereaktioner sker vid luftelektroden. Men riktiga elektroder har komplicerade strukturer, vilket gör det svårt för forskare att avgöra exakt var nanokatalysatorer deltar i dessa reaktioner och hur de förbättrar prestandan. Tidigare forskning hade redan visat att metall-nanokatalysatorer kan få dessa celler att fungera bättre. Det som förblev oklart var om det mesta av den katalytiska aktiviteten sker direkt på katalysatorytan eller vid gränsen där katalysatorn rör elektroden. Forskarna visste inte heller om samma katalytiska mekanism var ansvarig för både elgenerering och vätgasproduktion.

För att undersöka dessa frågor skapade teamet en modellelektrod med noggrant kontrollerad struktur och sammansättning istället för att förlita sig på den mycket mer komplicerade arkitekturen hos konventionella elektroder. Metallnanopartiklar med enhetliga storlekar och avstånd arrangerades i ordnade mönster, vilket gjorde det möjligt för forskarna att undersöka deras katalytiska roller mycket mer exakt. Forskarna jämförde först flera metall-nanokatalysatorer, inklusive silver, kobolt, palladium och platina. Var och en deponerades på en tunnfilm av perovskitoxidelektrod och testades för dess förmåga att påskynda syrereaktioner. Silver gav den starkaste katalytiska förbättringen bland de testade metallerna – ta det, platina.

Forskarna ändrade sedan storleken och arrangemanget av silvernanopartiklarna för att bestämma var de viktigaste reaktionerna ägde rum. Under syrereduktionsreaktionen (elgenerering) ökade reaktionshastigheterna när längden på gränsen mellan silvernanopartiklarna och elektroden växte. Detta visade att gränssnittet mellan silvret och elektroden är den huvudsakliga reaktionsplatsen när cellen genererar elektricitet. Situationen ändrades under syreutvecklingsreaktionen (vätgasproduktion). I detta läge ökade reaktionshastigheterna med ytan av silvernanopartiklarna. Det resultatet visade att ytan på silverpartiklarna själva blir den primära reaktionsplatsen under vätgasproduktion.