Твердооксидные ячейки способны вырабатывать электроэнергию либо использовать ее для разложения воды и получения водорода. Наночастицы серебра, ускоряющие химические реакции, могут повышать эффективность работы таких устройств в обоих режимах. Исследователи из Сеульского национального университета впервые установили, что основной участок реакции у этих частиц меняется в зависимости от того, какую задачу выполняет ячейка.
Разница проявляется на воздушном электроде, где происходит обмен кислородом с окружающей средой. При выработке электроэнергии серебро в первую очередь ускоряет реакции кислорода вдоль границы соприкосновения каждой частицы с электродом. Во время получения водорода главной реакционной зоной становится собственная поверхность частицы серебра.
Это означает, что для улучшения катализатора недостаточно подобрать подходящий материал — важны также его форма и контакт с электродом, а оптимальная конфигурация зависит от способа использования устройства. Полученные результаты указывают на стратегию проектирования, при которой поверхность серебра и граница между серебром и электродом оптимизируются по отдельности.
Чтобы отделить эти возможности, команда создала модельный электрод с точно заданными составом и структурой. На тонкопленочном электроде из оксида со структурой перовскита исследователи разместили упорядоченные массивы металлических наночастиц одинакового размера и с равным расстоянием между ними. Сравнение серебра, кобальта, палладия и платины показало, что именно серебро обеспечивает наиболее сильное ускорение кислородных реакций.
При выработке электроэнергии ключевым процессом является восстановление кислорода, в ходе которого он получает электроны. Скорость реакции росла с увеличением общей длины границы между наночастицами серебра и электродом, что указывает на эту границу как на основную реакционную зону. Эксперименты с напряжением и концентрацией кислорода показали, что серебро способствует переносу электронов к кислороду. При получении водорода воздушный электрод осуществляет выделение кислорода, который высвобождается при разложении воды. Здесь скорость реакции увеличивалась с ростом площади поверхности частиц серебра, то есть ключевой зоной была открытая поверхность серебра.
Руководитель исследования Ву Чхоль Чжон отметил: «Это исследование значимо тем, что оно количественно оценивает работу нанокатализаторов, а также определяет их реальные реакционные зоны и механизмы действия». Научная работа, выполненная при поддержке Министерства науки и информационно-коммуникационных технологий и Национального исследовательского фонда Кореи, была опубликована в журнале Energy & Environmental Science и удостоена размещения на внешней обложке издания.