Stříbrné nanokatalyzátory mění místa reakcí: Klíč k efektivnější výrobě elektřiny a vodíku

Vědci poprvé zjistili, že stejný stříbrný (Ag) nanokatalyzátor funguje na různých reakčních místech v závislosti na tom, zda pevný oxidový článek generuje elektřinu, nebo vyrábí vodík.

Vědci poprvé zjistili, že stejný stříbrný (Ag) nanokatalyzátor funguje na různých reakčních místech v závislosti na tom, zda pevný oxidový článek generuje elektřinu, nebo vyrábí vodík. Tento objev, který představuje nový princip pro návrh a zlepšení výkonu pevnooxidových článků nové generace, je výsledkem společného výzkumu týmů z Soulské národní univerzity (SNU), KAIST a Korejského institutu základních věd (KBSI).

Pevnooxidové články jsou energetická zařízení nové generace, která využívají transport kyslíkových iontů k výrobě elektřiny nebo k rozkladu vody na vodík. Jsou považovány za klíčovou technologii pro rozšíření čisté výroby energie a využití vodíku, neboť je lze aplikovat na širokou škálu systémů – od decentralizovaných systémů kombinované výroby tepla a elektřiny v budovách a továrnách až po výrobu zeleného vodíku založenou na obnovitelných zdrojích energie. Výkon a životnost těchto článků jsou do značné míry určeny rychlostí kyslíkových reakcí na vzduchové elektrodě.

Problémem dosud bylo, že kvůli strukturální složitosti skutečných elektrod bylo obtížné přesně identifikovat, kde a jak nanokatalyzátory k těmto reakcím přispívají. Předchozí studie sice prokázaly, že kovové nanokatalyzátory zlepšují výkon článků, ale zůstávalo nejasné, zda katalytická aktivita probíhá primárně na povrchu katalyzátoru, nebo na rozhraní mezi katalyzátorem a elektrodou, a zda fungují stejně při výrobě elektřiny a vodíku.

K řešení těchto otázek vyvinul výzkumný tým modelový elektrodový systém s přesně řízenou strukturou a složením. Uspořádali kovové nanočástice jednotné velikosti a rozestupu do uspořádaných polí, aby přesně analyzovali jejich katalytické role. Zjistili, že během reakce redukce kyslíku (výroba elektřiny) se rychlost reakce zvyšovala s délkou rozhraní mezi stříbrnými nanočásticemi a elektrodou, což naznačuje, že toto rozhraní slouží jako primární reakční místo. Naopak během reakce vývoje kyslíku (výroba vodíku) se rychlost reakce zvyšovala s povrchovou plochou stříbrných nanočástic, což ukazuje, že samotný povrch částice slouží jako klíčové reakční místo.

Výzkumníci také provedli analýzu pomocí synchrotronu a teoretické výpočty na atomární úrovni. Tyto analýzy odhalily, že stříbrné nanokatalyzátory modifikují elektronickou strukturu povrchu elektrody, aby podpořily redukci kyslíku, a poskytují příznivé prostředí pro spojování atomů kyslíku během jeho vývoje. Tato studie je významná, protože ukazuje, že nanokatalyzátory nejsou pouhými aditivy, která zvyšují rychlost reakcí, ale že jejich reakční místa a mechanismy se mohou měnit v závislosti na provozním režimu.

Nový designový princip navrhuje, aby povrch katalyzátoru a rozhraní katalyzátor-elektroda byly optimalizovány samostatně při návrhu vzduchových elektrod pro pevnooxidové palivové články a pevnooxidové elektrolytické články. Pokud bude tento princip aplikován na praktická zařízení, očekává se, že zvýší účinnost výroby energie v distribuovaných energetických systémech a sníží spotřebu elektřiny v systémech elektrolýzy vody pro výrobu zeleného vodíku. Dále by mohl urychlit komercializaci reverzibilních pevnooxidových článků, které mohou v jediném systému jak generovat elektřinu, tak produkovat vodík, což umožní efektivnější výrobu a skladování energie v domácnostech i průmyslu. Modelová elektroda vyvinutá v této studii navíc slouží jako výzkumná platforma pro rozlišení toho, kde a jak katalyzátory fungují ve skutečných systémech, a může být aplikována i na další elektrochemické systémy přeměny energie a technologie separace kyslíku.