Исследователи обнаружили, что серебряные нанокатализаторы по-разному ускоряют кислородные реакции в твердотельных оксидных ячейках в зависимости от режима работы устройства. При выработке электричества главным активным участком оказывается граница между частицей серебра и электродом. Во время производства водорода реакция преимущественно идет на поверхности самой частицы.
Твердотельные оксидные ячейки способны работать в двух направлениях: вырабатывать электричество или использовать его для расщепления воды и получения водорода. Их воздушный электрод обменивается кислородом с окружающей средой, а скорость этих реакций влияет на производительность и срок службы устройства. Как сообщает SciTechDaily, новое исследование впервые показало, что рабочий участок серебряного нанокатализатора меняется при переходе от одного режима к другому.
Для проверки ученые создали модельный электрод с точно заданными составом и строением. На тонкопленочном оксидном электроде с кристаллической структурой перовскита они разместили массивы наночастиц одинакового размера и с одинаковыми промежутками. Сравнение серебра, кобальта, палладия и платины показало, что наиболее заметно кислородные реакции усиливало серебро.
Затем специалисты меняли размеры и расположение серебряных частиц, чтобы отделить вклад открытой поверхности от вклада участков контакта с электродом. Дополнительные эксперименты проводили при разных напряжениях и концентрациях кислорода. Наблюдения с использованием синхротронного излучения и расчеты на атомном уровне помогли установить механизмы происходящих процессов.
В режиме генерации электричества кислород восстанавливается, то есть получает электроны. Скорость реакции увеличивалась вместе с общей длиной границы между серебром и электродом, поэтому именно эта граница была признана основным активным участком. Серебро облегчало передачу электронов кислороду и изменяло электронное строение поверхности электрода, способствуя реакции.
При производстве водорода на воздушном электроде происходит выделение кислорода: атомы кислорода объединяются в молекулы и покидают поверхность. В этом случае эффективность возрастала с увеличением площади серебряных частиц, что указывало на ведущую роль их открытой поверхности. По словам профессора ВуЧула Чжона, исследование позволило количественно оценить работу нанокатализаторов и определить реальные участки и механизмы реакций. Работа команды Сеульского национального университета, Корейского передового института науки и технологий и Корейского института фундаментальных наук опубликована в журнале Energy & Environmental Science.