کاتالیزورهای کوچک نقره زمانی که سلول‌های اکسید جامد الکتریسیته تولید می‌کنند و هیدروژن تولید می‌کنند متفاوت عمل می‌کنند و مسیری بالقوه برای سیستم‌های انرژی پاک کارآمدتر را نشان می‌دهند.
سلول های اکسید جامد می توانند برق تولید کنند یا از الکتریسیته برای تقسیم آب و تولید هیدروژن استفاده کنند. نانوکاتالیست‌های نقره، ذرات ریز نقره که واکنش‌های شیمیایی را تسریع می‌کنند، می‌توانند عملکرد خود را در هر دو حالت بهبود بخشند. اکنون محققان برای اولین بار کشف کرده اند که محل واکنش اصلی ذرات بسته به وظیفه ای که سلول انجام می دهد تغییر می کند.
تفاوت در الکترود هوا است، جایی که سلول ها با محیط اطراف خود اکسیژن تبادل می کنند. در طول تولید برق، نقره عمدتاً واکنش‌های اکسیژن را در مرزی که هر ذره با الکترود ملاقات می‌کند، تحریک می‌کند. در طول تولید هیدروژن، سطح خود ذره نقره به محل اصلی واکنش تبدیل می شود.
دو هدف طراحی برای کاتالیزورهای نقره
این بدان معنی است که بهبود یک کاتالیزور به چیزی بیش از انتخاب ماده مناسب نیاز دارد. شکل و تماس آن با الکترود نیز مهم است و بهترین محل ممکن است به نحوه استفاده از دستگاه بستگی داشته باشد. یافته ها به یک استراتژی طراحی اشاره می کند که سطح نقره و رابط نقره-الکترود را به طور جداگانه بهینه می کند.
محققان این رفتار را در یک مدل الکترودی با دقت کنترل شده ایجاد کردند. اگر این رویکرد به دستگاه‌های عملی منتقل شود، می‌تواند کارایی تولید برق را در سیستم‌های انرژی توزیع شده برای ساختمان‌ها و کارخانه‌ها بهبود بخشد، که همچنین می‌تواند از گرمای با دمای بالا سلول‌ها استفاده کند. همچنین می تواند برق مورد نیاز برای تولید هیدروژن سبز با استفاده از انرژی های تجدیدپذیر را کاهش دهد. برای سلول های اکسید جامد برگشت پذیر که هر دو کار را در یک سیستم انجام می دهند، این رویکرد می تواند به پیشبرد تجاری سازی کمک کند. و بهبود تولید و ذخیره انرژی در خانه ها و صنعت.
تیم تحقیقاتی مشترک توسط پروفسور WooChul Jung و Jeong Woo Han از گروه علوم و مهندسی مواد دانشگاه ملی سئول رهبری شد. آنها با تیم پروفسور سانگ اوک کیم در KAIST و تیم دکتر بئومگیون جونگ در موسسه علوم پایه کره کار کردند. یافته های آنها در ظاهر شد انرژی و علوم زیست محیطیو اثر برای پشت جلد بیرونی مجله انتخاب شد.
نقره در کجا واکنش های اکسیژن را تسریع می کند؟
سلول های اکسید جامد با انتقال یون های اکسیژن، اتم های اکسیژن که بار الکتریکی را حمل می کنند، از طریق یک ماده جامد کار می کنند. سرعت واکنش های اکسیژن در الکترود هوا تا حد زیادی عملکرد و طول عمر سلول ها را تعیین می کند. مطالعات قبلی نشان داده‌اند که نانوکاتالیست‌های فلزی می‌توانند عملکرد را بهبود بخشند، اما ساختارهای پیچیده الکترودهای واقعی، شناخت دقیق نحوه کمک آنها را دشوار می‌سازد.
یک سوال حل نشده این بود که آیا بیشتر فعالیت کاتالیزوری روی سطوح ذرات فلز رخ می دهد یا در جایی که ذرات الکترود را لمس می کنند. سوال دیگر این بود که آیا یک کاتالیزور در طول تولید برق و تولید هیدروژن یکسان عمل می کند؟
برای جداسازی این احتمالات، تیم یک الکترود مدل با ترکیب و ساختار دقیق کنترل شده ساخت. آنها نانوذرات فلزی با اندازه و فاصله یکنواخت را در آرایه‌های مرتب روی یک الکترود اکسید پروسکایت لایه نازک قرار دادند. پروسکایت به ساختار کریستالی مواد اشاره دارد. مقایسه نقره، کبالت، پالادیوم و پلاتین نشان داد که نقره قوی‌ترین افزایش واکنش‌های اکسیژن را ارائه می‌کند.
سپس محققان به طور سیستماتیک اندازه و آرایش ذرات نقره را تغییر دادند تا سهم سطوح در معرض آن را از مرزهای تماسشان متمایز کنند. آنها همچنین ولتاژ اعمال شده و غلظت اکسیژن را برای مطالعه مکانیسم های واکنش تغییر دادند. تجزیه و تحلیل مبتنی بر سنکروترون به آنها اجازه داد تا تغییرات سطح الکترود را در حین کار مشاهده کنند، در حالی که محاسبات نظری در مقیاس اتمی به توضیح این تغییرات کمک کردند.
نقره به دو روش به واکنش اکسیژن کمک می کند
در طول تولید برق، فرآیند مربوطه کاهش اکسیژن است که در آن اکسیژن الکترون می گیرد. سرعت واکنش با طول کل رابط بین نانوذرات نقره و الکترود افزایش می‌یابد و این رابط را به عنوان محل واکنش اولیه شناسایی می‌کند. آزمایش های ولتاژ و غلظت اکسیژن نشان می دهد که نقره انتقال الکترون ها به اکسیژن را تسهیل می کند. مشاهدات و محاسبات سطحی بیشتر نشان داد که نقره ساختار الکترونیکی سطح الکترود را با روش هایی که این پاسخ را تشویق می کند تغییر می دهد.
در طول تولید هیدروژن، الکترود هوا جداسازی اکسیژن را انجام می‌دهد و با شکافتن آب، اکسیژن آزاد می‌کند. در اینجا، سرعت واکنش با سطح ذرات نقره افزایش می‌یابد، که نشان می‌دهد سطح نقره در معرض مکان اصلی است. نقره به اتم های اکسیژن کمک کرد تا در مولکول های اکسیژن ترکیب شوند و سپس سطح را ترک کنند. تجزیه و تحلیل بیشتر نشان داد که محیط مساعدی برای این جفت شدن اتم های اکسیژن فراهم می کند.
یونگ گفت: «این تحقیق از این جهت مهم است که عملکرد نانوکاتالیست‌ها را کمیت می‌کند و در عین حال مکان‌ها و مکانیسم‌های واکنش واقعی آنها را مشخص می‌کند.»
دکتر جین ووک کیم، که این تحقیق را رهبری کرد، در حال حاضر یک دانشجوی فوق دکتری در دانشگاه نورث وسترن است و به زودی به عنوان استادیار در گروه علوم و مهندسی مواد به دانشگاه سئول خواهد پیوست. او قصد دارد به مطالعه نانوکاتالیست‌ها و سلول‌های اکسید جامد ادامه دهد و کار را به مواد با کارایی بالا و دستگاه‌های تبدیل انرژی گسترش دهد.
آرایه‌های نانوذرات کنترل‌شده همچنین بستری تحقیقاتی برای جداسازی محل کار کاتالیزورها از نحوه عملکردشان فراهم می‌کنند. علاوه بر سلول های اکسید جامد، پلت فرم را می توان برای دستگاه های تولید هیدروژن، سایر سیستم های تبدیل انرژی الکتروشیمیایی و فناوری های جداسازی اکسیژن اعمال کرد.
یونگ گفت: “ما قصد داریم این را به عنوان یک اصل طراحی جدید ایجاد کنیم که می تواند برای انواع مواد تبدیل انرژی و سیستم های کاتالیزوری اعمال شود.”
مرجع: “ارزیابی کمی الکتروشیمیایی نانوکاتالیزورهای تبادل اکسیژن فلزی بر روی الکترودهای سلولی اکسید جامد” توسط کیم، جینوک، یانگ، گئون گوگ، لی، وون جون، نام، سئونگ وو، مون، جینوک، یانگ، هیجا، سئو، جونسو، جون سونگ، وو، کیم، سانگ اوک و جونگ، ووچول، 08 ژوئیه 2026، انرژی و علوم زیست محیطی.
DOI: 10.1039/d5ee07320k
این تحقیق توسط وزارت علوم و ICT و بنیاد ملی تحقیقات کره (RS-2024-00452853, RS-2025-00521316) پشتیبانی شده است. تحقیقات AP-XPS مبتنی بر سنکروترون در خط پرتو KBSI-PAL 8A2 AP-XPS توسط آزمایشگاه شتاب دهنده پوهانگ/POSTECH و موسسه علوم پایه کره پشتیبانی شد.
هرگز پیشرفتی را از دست ندهید: به خبرنامه SciTechDaily بپیوندید.
ما را در Google و Google News دنبال کنید.
