Визуальное представление того, как металлические нанокатализаторы способствуют реакциям кислородообмена на электродах твердооксидных топливных элементов. Источник: Energy & Environmental Science, первоначально опубликовано в журнале Energy & Environmental Science

Крошечные серебряные катализаторы по-разному работают в твердооксидных элементах, генерирующих электричество, и в элементах, вырабатывающих водород, что открывает потенциальный путь к созданию более эффективных экологически чистых энергетических систем.

Твердооксидные элементы могут генерировать электричество или использовать электричество для расщепления воды и получения водорода. Серебряные нанокатализаторы — крошечные частицы серебра, ускоряющие химические реакции, — могут повысить эффективность работы элементов в обоих режимах. Исследователи впервые обнаружили, что основной реакционный центр частиц меняется в зависимости от того, какую задачу выполняет элемент.

Различие проявляется на воздушном электроде, где элементы обмениваются кислородом с окружающей средой. При выработке электроэнергии серебро в первую очередь способствует кислородным реакциям на границе соприкосновения каждой частицы с электродом. При производстве водорода основным местом реакции становится собственная поверхность серебряной частицы. 

(Слева) Схематическое изображение процесса изготовления модельной платформы с массивами металлических наночастиц, сформированными на электроде с точно контролируемой структурой и составом. (Справа) Микроскопические изображения массивов наночастиц платины, палладия, кобальта и серебра; изображение границы раздела между серебром и электродом; морфология массивов серебряных наночастиц с частицами разного размера. Источник: Energy & Environmental Science, первоначально опубликовано в журнале Energy & Environmental Science

Две цели разработки серебряных катализаторов

Это означает, что для улучшения катализатора недостаточно просто выбрать подходящий материал. Форма и контакт с электродом также имеют значение, и наилучший вариант может зависеть от того, как будет использоваться устройство. Полученные результаты указывают на то, что стратегия проектирования должна быть направлена на оптимизацию поверхности серебра и границы между серебром и электродом по отдельности.

Исследователи продемонстрировали такое поведение на тщательно контролируемом модельном электроде. Если этот подход можно будет применить на реальных устройствах, он повысит эффективность выработки электроэнергии в распределенных энергетических системах для зданий и заводов, которые также могут использовать высокотемпературное тепло, вырабатываемое элементами. Кроме того, он может снизить потребление электроэнергии, необходимой для производства «зеленого» водорода с использованием возобновляемых источников энергии. Для обратимых твердооксидных элементов, которые выполняют обе задачи в рамках одной системы, этот подход может способствовать коммерциализации и повысить эффективность производства и хранения энергии в быту и промышленности.

Совместную исследовательскую группу возглавили профессора У Чхоль Чон и Чон У Хан с факультета материаловедения и инженерии Сеульского национального университета. Они работали с командой профессора Сан Оук Кима из Корейского института передовых технологий и командой доктора Бомгюна Чона из Корейского института фундаментальных наук. Результаты их исследования были опубликованы в журнале Energy & Environmental Science, а сама работа была выбрана для размещения на задней обложке журнала. 

Результаты показывают, что в зависимости от режима работы доминирующие участки реакции смещаются между границей раздела металл-электрод и поверхностью металлической частицы. Источник: Energy & Environmental Science, первоначально опубликовано в Energy & Environmental Science

Где серебро ускоряет реакции с участием кислорода?

Твердооксидные элементы работают за счет переноса ионов кислорода — атомов кислорода, несущих электрический заряд, — через твердый материал. Скорость реакций с участием кислорода на воздушном электроде во многом определяет эффективность и срок службы элементов. Предыдущие исследования показали, что металлические нанокатализаторы могут повысить производительность, но из-за сложной структуры реальных электродов было трудно понять, как именно они помогают.

Один из нерешенных вопросов заключался в том, происходит ли большая часть каталитической активности на поверхности металлических частиц или в местах их соприкосновения с электродом. Другой вопрос заключался в том, одинаково ли катализатор работает при выработке электроэнергии и производстве водорода.

Чтобы разделить эти возможности, команда создала модельный электрод с точно контролируемым составом и структурой. Они разместили металлические наночастицы одинакового размера и на одинаковом расстоянии друг от друга в упорядоченных массивах на тонкопленочном электроде из оксида перовскита. Перовскит — это кристаллическая структура материала. Сравнение серебра, кобальта, палладия и платины показало, что серебро сильнее всего усиливает реакции с кислородом.

Затем исследователи систематически меняли размер и расположение частиц серебра, чтобы отделить вклад их открытой поверхности от вклада контактных границ. Они также варьировали приложенное напряжение и концентрацию кислорода, чтобы изучить механизмы реакции. Анализ с использованием синхротронного излучения позволил им наблюдать изменения на поверхности электрода во время работы, а теоретические расчеты на атомном уровне помогли объяснить эти изменения. 

(слева) Анализ в режиме реального времени с использованием синхротрона, показывающий изменения в электронной структуре электрода во время работы. (справа) Схематическая иллюстрация, основанная на расчетах методом теории функционала плотности, показывающая, как наночастицы серебра повышают уровень Ферми электрода, способствуя восстановлению кислорода. Источник: Energy & Environmental Science, первоначально опубликовано в журнале Energy & Environmental Science

Два способа, которыми серебро способствует реакции с кислородом

При выработке электроэнергии происходит восстановление кислорода, при котором кислород получает электроны. Скорость реакции возрастала с увеличением общей длины границы между наночастицами серебра и электродом, что указывает на эту границу как на основной участок реакции. Эксперименты с напряжением и концентрацией кислорода показали, что серебро способствует переносу электронов на кислород. Наблюдения за поверхностью и расчеты показали, что серебро изменяет электронную структуру поверхности электрода таким образом, что это способствует протеканию реакции.

При производстве водорода воздушный электрод осуществляет выделение кислорода, высвобождая его при расщеплении воды. В данном случае скорость реакции увеличивалась с ростом площади поверхности серебряных частиц, что указывает на то, что ключевую роль играет открытая поверхность серебра. Серебро помогает атомам кислорода соединяться в молекулы кислорода, а затем покидать поверхность. Дополнительные анализы показали, что серебро создает благоприятную среду для такого соединения атомов кислорода.

Юнг сказал: «Это исследование важно, потому что оно позволяет количественно оценить эффективность нанокатализаторов, а также определить их реальные реакционные центры и механизмы работы». 

Джин Ук Ким (постдокторант, Северо-Западный университет), Гон Гук Ян (постдокторант, Массачусетский технологический институт), Вон Джун Ли (аспирант, Сеульский национальный университет), Бом Гюн Чон (KBSI), Чон У Хан (профессор, Сеульский национальный университет), Сан Ок Ким (профессор, Корейский институт передовых технологий), У Чхоль Чон (профессор, Сеульский национальный университет). Фото: Сеульский национальный университет

Доктор Джин Ук Ким, возглавлявший исследование, в настоящее время является постдокторантом в Северо-Западном университете и вскоре перейдет в Сеульский университет на должность доцента кафедры материаловедения и инженерии. Он планирует продолжить изучение нанокатализаторов и твердооксидных элементов, расширив исследования в области высокоэффективных материалов и устройств для преобразования энергии.

Контролируемые массивы наночастиц также представляют собой исследовательскую платформу, позволяющую отделить место действия катализаторов от принципов их работы. Помимо твердооксидных элементов, эту платформу можно использовать для устройств по производству водорода, других систем электрохимического преобразования энергии и технологий разделения кислорода.

Юнг сказал: “Мы планируем в дальнейшем использовать это как новый принцип проектирования, который может быть применен к различным материалам для преобразования энергии и каталитическим системам”.

Ссылка: “Количественная электрохимическая оценка металлических нанокатализаторов для кислородного обмена на электродах твердооксидных элементов”, Ким, Джинвук, Янг, Гон Гуг, Ли, Вонджун, Нам, Сонву, Мун, Джинук, Ян, Хиджэ, Со, Чонсу, Чхве, Юнсок, Чон, Бомген, Хан, Чон У, Ким, Санг Ук и Юнг, Вучул, 08 июля 2026 г., Наука об энергетике и окружающей среде. DOI: 10.1039/d5ee07320k

Это исследование было поддержано Министерством науки и информационно-коммуникационных технологий и Национальным исследовательским фондом Кореи (RS-2024-00452853, RS-2025-00521316). Исследования методом AP-XPS на синхротроне на линии AP-XPS 8A2 в Корейском институте фундаментальных наук были поддержаны Поханской ускорительной лабораторией/POSTECH и Корейским институтом фундаментальных наук.