Ученые обнаружили скрытый переключатель в нанокатализаторах серебра

Исследователи впервые обнаружили, что один и тот же серебряный (Ag) нанокатализатор может работать в разных реакционных центрах в зависимости от того, производит ли твердооксидный элемент электричество или генерирует водород. Это открытие указывает на новый способ проектирования энергетических устройств следующего поколения для повышения их производительности.

Исследование возглавили профессора УЧхоль Чонг и Чонг У Хан с кафедры материаловедения и инженерии Сеульского национального университета (SNU) совместно с командой профессора Санг Оук Кима из KAIST и командой доктора Беомгюна Чона из Корейского института фундаментальных наук (KBSI). Их результаты проясняют, как серебряные нанокатализаторы повышают производительность твердооксидных элементов, и показывают, что как местоположение, так и механизм кислородных реакций меняются в зависимости от использования элемента.

Как работают твердооксидные элементы

Твердооксидные элементы перемещают ионы кислорода через твердый материал для выполнения двух различных функций. Они могут генерировать электричество или расщеплять воду для производства водорода.

Благодаря такой универсальности эта технология рассматривается как важный вариант для расширения использования чистой энергии и водорода. Потенциальные области применения варьируются от распределенных систем комбинированного тепло- и электроснабжения в зданиях и на заводах, которые генерируют электричество, используя высокотемпературное тепло, выделяющееся в процессе работы, до производства зеленого водорода на основе возобновляемых источников энергии.

Определение мест работы катализаторов

Производительность и долговечность твердооксидных элементов в значительной степени зависят от скорости протекания кислородных реакций на воздушном электроде. Однако реальные электроды имеют сложную структуру, что затрудняет для исследователей точное определение того, где нанокатализаторы участвуют в этих реакциях и как они повышают производительность.

Предыдущие исследования уже показали, что металлические нанокатализаторы могут улучшить работу этих элементов. Оставалось неясным, происходит ли большая часть каталитической активности непосредственно на поверхности катализатора или на границе раздела, где катализатор соприкасается с электродом. Исследователи также не знали, отвечает ли один и тот же каталитический механизм как за выработку электроэнергии, так и за производство водорода.

Для исследования этих вопросов команда создала модельный электрод с тщательно контролируемой структурой и составом, вместо того чтобы полагаться на гораздо более сложную архитектуру обычных электродов. Металлические наночастицы равномерных размеров и расстояний были расположены в упорядоченных паттернах, что позволило исследователям более точно изучить их каталитические роли.

Ученые сначала сравнили несколько металлических нанокатализаторов, включая серебро, кобальт, палладий и платину. Каждый из них был нанесен на тонкопленочный перовскитовый оксидный электрод и протестирован на способность ускорять кислородные реакции.

Серебро показало наибольшее каталитическое улучшение среди испытанных металлов.

Серебро переключает реакционные центры

Затем исследователи изменили размер и расположение серебряных наночастиц, чтобы определить, где происходят наиболее важные реакции.

Во время реакции восстановления кислорода (выработка электроэнергии) скорость реакции увеличивалась с увеличением длины границы раздела между серебряными наночастицами и электродом. Это показало, что интерфейс между серебром и электродом является основным реакционным центром при генерации электричества.

Ситуация изменилась во время реакции выделения кислорода (производство водорода). В этом режиме скорость реакции увеличивалась с увеличением площади поверхности серебряных наночастиц. Этот результат показал, что поверхность самих серебряных частиц становится основным реакционным центром при производстве водорода.

Другими словами, один и тот же нанокатализатор может выполнять свою наиболее важную химию в двух разных местах в зависимости от направления работы энергетического устройства.

Исследователи далее изучили эти различия, регулируя приложенное напряжение и концентрацию кислорода. Они обнаружили, что во время восстановления кислорода серебряные нанокатализаторы помогают передавать электроны кислороду. Во время выделения кислорода серебро вместо этого помогает атомам кислорода объединяться в молекулы кислорода, а затем способствует их высвобождению.

Детальный взгляд на атомный механизм

Команда также использовала синхротронный анализ для наблюдения за изменениями, происходящими на поверхности электрода во время работы системы. Эти эксперименты были объединены с теоретическими расчетами на атомном уровне.

Результаты показали, что серебряные нанокатализаторы изменяют электронную структуру поверхности электрода таким образом, что благоприятствует восстановлению кислорода. Во время выделения кислорода они создают условия, которые облегчают соединение атомов кислорода.

Эти наблюдения помогают объяснить, почему катализатор ведет себя по-разному в зависимости от того, производит ли элемент электричество или водород.

Новая стратегия для катализаторов чистой энергии

Полученные данные свидетельствуют о том, что нанокатализаторы не следует рассматривать просто как добавки, ускоряющие химические реакции. Их активные места и рабочие механизмы могут меняться в зависимости от режима работы энергетической системы.

Это понимание предлагает новую стратегию проектирования твердооксидных элементов. Вместо того чтобы оптимизировать катализатор как единый компонент, исследователи могут повысить производительность, отдельно проектируя поверхность катализатора и интерфейс катализатор-электрод при разработке воздушных электродов для твердооксидных топливных элементов и твердооксидных электролизеров.

Если этот принцип будет успешно интегрирован в практические устройства, это может повысить эффективность производства электроэнергии в распределенных энергетических системах, используемых в зданиях и на заводах. Это также может снизить количество электроэнергии, необходимой для электролиза воды с использованием возобновляемых источников энергии для производства зеленого водорода.

Этот подход также может способствовать развитию обратимых твердооксидных элементов, способных как генерировать электричество, так и производить водород в одной и той же системе. Такие устройства могли бы обеспечить более эффективное производство и хранение энергии в домах и на промышленных предприятиях.

Платформа для изучения других катализаторов

Разработанный исследователями модельный электрод на основе точно контролируемого массива наночастиц также предоставляет способ определения мест работы катализаторов и их функционирования в реальных энергетических системах.

Эта платформа может быть полезна далеко за пределами твердооксидных элементов. Потенциальные области применения включают устройства для производства водорода, другие технологии электрохимического преобразования энергии и системы разделения кислорода.

Профессор УЧхоль Чонг, руководитель исследования, заявил: «Это исследование имеет большое значение, поскольку оно количественно оценивает производительность нанокатализаторов, а также определяет их фактические реакционные центры и рабочие механизмы».

Он добавил: «Мы планируем далее установить это как новый принцип проектирования, который может быть применен к различным материалам для преобразования энергии и каталитическим системам».

Доктор Чжинвук Ким, руководитель исследования, в настоящее время является постдокторантом Северо-Западного университета и вскоре присоединится к Сеульскому университету в качестве доцента на кафедре материаловедения и инженерии. Он планирует продолжить изучение нанокатализаторов и твердооксидных элементов с целью распространения этой работы на разработку высокоэффективных материалов и устройств для преобразования энергии.