Нанокатализаторы из серебра работают на разных участках в зависимости от режима

Один и тот же нанокатализатор из серебра ускоряет кислородные реакции на разных участках в зависимости от того, вырабатывает ли твердооксидный элемент электричество или производит водород. К этому выводу впервые пришли исследователи Сеульского национального университета, KAIST и Корейского института фундаментальных наук. Результаты опубликованы в журнале Energy & Environmental Science с импакт-фактором 30,5, статья также отобрана для задней обложки. Об этом рассказывает издание Phys.org.

Твердооксидные элементы — энергоустройства нового поколения, которые переносят ионы кислорода для генерации электричества или расщепления воды на водород. Их предполагается использовать в системах распределённого тепло- и электроснабжения зданий и заводов, а также для производства «зелёного» водорода на основе возобновляемой энергии. Скорость кислородных реакций на воздушном электроде во многом определяет производительность и срок службы таких устройств.

Чтобы понять механизм работы катализаторов, команда под руководством профессоров Вучула Чуна и Чон Ву Хана создала модельный электрод с точно контролируемой структурой и составом. На тонкоплёночный перовскитный электрод нанесли наночастицы серебра, кобальта, палладия и платины. Самое сильное ускорение кислородных реакций продемонстрировал серебряный катализатор.

Изменяя размер и расположение наночастиц серебра, исследователи установили, что при генерации электричества скорость реакции растёт с увеличением протяжённости границы раздела между наночастицами и электродом. При производстве водорода скорость реакции зависит от площади поверхности наночастиц серебра. Так граница раздела и поверхность катализатора поочерёдно становятся основными реакционными сайтами.

Дополнительные опыты с напряжением и концентрацией кислорода показали, что серебро облегчает перенос электронов к кислороду при восстановлении, а при выделении кислорода способствует соединению атомов в молекулы и их высвобождению. Синхротронный анализ и расчёты на атомном масштабе подтвердили, что нанокатализатор меняет электронную структуру поверхности электрода. По словам профессора Чуна, исследование впервые количественно оценивает работу катализаторов и определяет их реальные активные участки.

Нанокатализаторы, как выяснилось, не просто ускоряют реакции — их активные участки и механизмы меняются в зависимости от режима работы. Это позволяет раздельно оптимизировать поверхность катализатора и его границу с электродом при проектировании воздушных электродов. Разработанный принцип может повысить эффективность распределённых энергосистем и снизить расход электроэнергии при электролизе воды для производства водорода. Модельная платформа с упорядоченными наночастицами применима также в устройствах разделения кислорода и электрохимического преобразования энергии. Джинвук Ким, возглавлявший исследование, переходит из Северо-Западного университета на должность доцента в Сеульском университете.