Ученые из Южной Кореи выяснили, что нанокатализаторы из серебра ведут себя по-разному в зависимости от режима работы твердооксидной ячейки. Когда она вырабатывает электричество, реакция идет на границе катализатора и электрода, а когда производит водород из воды – на самой поверхности наночастиц серебра. Это открытие может изменить подходы к созданию устройств для чистой энергетики.
Твердооксидные ячейки – это универсальные устройства, способные как генерировать электроэнергию, так и производить водород методом электролиза воды. Их считают перспективной технологией для распределенной энергетики и водородной экономики. Эффективность и долговечность таких ячеек во многом зависят от скорости кислородных реакций на воздушном электроде, которую повышают с помощью катализаторов.
Ранее было известно, что металлические нанокатализаторы улучшают работу ячеек, но оставалось неясным, где именно происходят ключевые реакции и одинаков ли их механизм в разных режимах. Чтобы разобраться в этом, группа исследователей из Сеульского национального университета, Корейского института передовых технологий (KAIST) и Корейского института фундаментальных наук (KBSI) создала модельную установку. Вместо сложной структуры обычного электрода они использовали тонкую пленку с упорядоченно нанесенными наночастицами металлов одинакового размера, что позволило точно отследить их роль.
Сравнив несколько металлов, включая кобальт, палладий и платину, ученые установили, что серебро дает наилучший каталитический эффект. Дальнейшие тесты показали, что при выработке электричества (реакция восстановления кислорода) скорость процесса росла с увеличением длины границы между наночастицами серебра и электродом. Это указало на то, что именно эта граница служит основной зоной реакции. Однако при производстве водорода (реакция выделения кислорода) скорость зависела от общей площади поверхности самих наночастиц. Таким образом, один и тот же катализатор задействует разные участки в зависимости от задачи.
С помощью синхротронного анализа и теоретических расчетов команда выяснила, что в режиме генерации электричества серебро помогает передавать электроны кислороду. В режиме производства водорода оно, наоборот, способствует объединению атомов кислорода в молекулы и их высвобождению. Результаты исследования, опубликованные в журнале *Energy & Environmental Science*, предлагают новую стратегию проектирования твердооксидных ячеек. Инженеры смогут повысить их производительность, отдельно оптимизируя поверхность катализатора и его границу с электродом для каждого из режимов работы.
