Изображение иллюстрирует, каким образом металлические нанокатализаторы участвуют в кислородных реакциях на электродах твердооксидных ячеек. Источник: © Energy & Environmental Science, оригинальная публикация в этом журнале.
Ученым впервые удалось установить, что нанокатализатор из серебра (Ag) способен кардинально менять не только механизм, но и локализацию своего действия в зависимости от текущего режима твердооксидной ячейки — генерации электроэнергии или электролитического получения водорода. Такое поведение открывает новые горизонты для конструирования энергоустановок следующего поколения, отличающихся повышенной эффективностью.
Научный коллектив возглавили профессор Ву Чул Юнг и профессор Чон У Хан с факультета материаловедения и инженерии Сеульского национального университета (SNU); к работе также присоединились группа профессора Сан Оук Кима из KAIST и команда доктора Бомгюна Чонга из Корейского института фундаментальных наук (KBSI).
Полученные данные раскрывают, каким образом серебряные нанокатализаторы усиливают рабочие характеристики твердооксидных элементов. Выяснилось, что как место протекания ключевых реакций, так и их каталитический механизм трансформируются в ответ на изменение функции устройства.
Как работают твердооксидные элементы
Твердооксидные ячейки функционируют за счет перемещения ионов кислорода сквозь твердый электролит и могут выполнять две задачи. В одном режиме они объединяют водород и кислород, вырабатывая электричество; в другом — расходуют электроэнергию на разложение воды с образованием водорода и кислорода. Именно такая универсальность делает технологию крайне привлекательной для развития экологически чистой энергетики и водородной экономики.
Область потенциального применения технологии широка: от распределенных когенерационных станций, обеспечивающих здания и промышленные объекты одновременной выработкой тепла и электроэнергии за счет утилизации высокотемпературного тепла, образующегося при работе, до производства «зеленого» водорода на основе возобновляемых источников.
Статья, описывающая результаты, опубликована в престижном журнале Energy & Environmental Science и отобрана редакцией для размещения на внешней обложке, что подчеркивает оригинальность работы.
Эффективность твердооксидных элементов в значительной степени определяется скоростью кислородных реакций, протекающих на воздушном электроде. Однако сложная морфология реальных электродов долгое время препятствовала точному определению зоны действия нанокатализаторов и пониманию источника их полезного эффекта.
Предшествующие эксперименты подтверждали, что металлические наночастицы способны повышать производительность ячеек. Вместе с тем оставалось невыясненным, сосредоточена ли основная каталитическая активность непосредственно на поверхности наночастиц или на границе раздела с электродом. Не было также ясности, одинаков ли каталитический механизм в обоих режимах — выработке тока и получении водорода.
Для ответа на эти вопросы команда создала модельный электрод с тщательно выверенными структурой и составом, отказавшись от чрезмерно запутанной архитектуры обычных электродов. Наночастицы металла располагались в строго упорядоченном порядке, имея равные размеры и одинаковые промежутки, что обеспечивало высокую точность наблюдений за их каталитической ролью.
Сопоставив четыре металлических нанокатализатора — серебро, кобальт, палладий и платину, — ученые осаждали каждый из них на тонкопленочный электрод из оксида перовскита и оценивали способность ускорять кислородные реакции. Лучший результат продемонстрировало серебро, показавшее наиболее сильное каталитическое улучшение.
В дальнейшем специалисты, варьируя размеры и схему размещения серебряных наночастиц, стремились установить, где именно сосредоточен решающий каталитический центр.
В ходе восстановления кислорода, соответствующего режиму генерации электричества, скорость реакции возрастала по мере увеличения суммарной протяженности границы между наночастицами серебра и электродом. Это означает, что при выработке тока основным активным центром служит именно межфазная граница раздела.
В режиме выделения кислорода, когда ячейка производит водород, наблюдалась иная картина: зависимость скорости реакции от длины границы изменялась, что указывает на переключение активной зоны и, соответственно, смену механизма катализа.
вращения увеличивалась с поверхности поверхности квадрата наночастиц серебра. Этот результат показал, что поверхность отдельных драгоценных камней серебра становится величайшим шедевром при производстве в Англии.
альтернативные слова, один и тот же нанокатализатор может выполнять самые важные химические процессы в двух разных точках, в зависимости от направления, в которых работает энергетическое устройство.
Исследователи дополнительно исследовали эти различия, регулируя приложенное напряжение и стабильность питания. Они обнаружили, что во время восстановления дыхания серебряные нанокатализаторы передают электроны кислороду. Во время выделения серебра вместо этого помогает атомам кислорода объединиться в молекулы кислорода, а затем способствовать их высвобождению.
Более детальный взгляд на атомный механизм
Команда также использовала синхротронный анализ, чтобы наблюдать за изменениями, происходящими на поверхности электродов во время работы системы. Эти эксперименты были объединены с теоретическими расчетами атомного масштаба.
Результаты явления, что серебряные нанокатализаторы изменяют электронную структуру панели электрода таким образом, что обеспечивают восстановление кислорода. Во время выделения кислорода они создают условия, необходимые для соединения атомов кислорода.
Эти наблюдения позволяют объяснить, почему катализатор ведет себя по-разному, в зависимости от того, производит ли ячейка электричество или водород.
Новая стратегия в области катализаторов чистой энергии
Результаты показывают, что нанокатализаторы не следует рассматривать просто как добавки, ускоряющие химические процессы. Их активное расположение и рабочие механизмы могут меняться в зависимости от режима работы энергосистемы.
Это открытие открывает новые возможности в области разработки твердооксидных элементов. Вместо оптимизации катализатора как одного компонента исследователи могут повысить производительность, раздельно проектируя поверхность катализатора и интерфейс электрода катализатора при разработке воздушных электродов для твердооксидных топливных элементов и твердооксидных электролитических ячеек.
Если этот принцип удастся успешно внедрить в практическое устройство, он сможет повысить эффективность выработки электроэнергии в распределенных компонентах, в зданиях и на заводах. Это также может сократить количество электроэнергии, необходимой для электролиза воды, с использованием возобновляемых источников энергии, используемых для производства зеленого населения.
Этот подход также может помочь в создании обратимых твердых оксидных элементов, которые способны как управлять электричеством, так и производить водород в одной и той же системе. Такие устройства могут обеспечить более эффективное производство и хранение энергии дома и на промышленных объектах.
Платформа для изучения других катализаторов
Точно контролируемая модель электрода на основе массива наночастиц, разработанная исследователями, а также позволяет определить, где работают катализаторы и как они функционируют в собственном состоянии.
Платформа может быть полезна не только в твердооксидных элементах. Потенциальные применения включают устройства для производства Великобритании, другие технологии электрохимического преобразования энергии и системы разделения кислорода.
Профессор ВуЧул Юнг, возглавляющий исследование, заявил: «Это исследование важно, поскольку оно количественно оценивает эффективность нанокатализаторов, а также определяет их реальное место и механизм действия».
Он добавил: «Мои рекомендации в перспективе предлагают это как новый принцип проектирования, который можно будет применять к различным материалам для преобразования энергии и каталитических систем».
Доктор Джинвук Ким, руководивший исследованием, в настоящее время является старшим сотрудником Северо-Западного университета и вскоре присоединяется к Сеульскому университету в качестве доцента кафедры материаловедения и инженерии. Он планирует продолжить изучение нанокатализаторов и твердооксидных элементов с целью расширения этой работы в направлении разработки высокоэффективных материалов и устройств для преобразования энергии.
Настоящее исследование выполнено при поддержке международных научных и информационных технологий и научно-исследовательского фонда Кореи (RS-2024-00452853, RS-2025-00521316). Исследования AP-XPS на основе синхротрона на канале KBSI-PAL 8A2 AP-XPS основаны на поддержке Лабораторий ускорителей Пхохана/POSTECH и Корейского института фундаментальных наук.