Stříbrné nanokatalyzátory mohou v pevnookysidových elektrochemických článcích fungovat odlišně podle směru provozu zařízení. Při výrobě elektřiny se podle nového výzkumu rozhodující reakce odehrávají hlavně na rozhraní mezi částicí stříbra a oxidovou elektrodou. Při elektrolýze, kdy článek za dodávky elektrické energie přispívá k výrobě vodíku, se naopak hlavní aktivní místo přesouvá na povrch samotných stříbrných nanočástic.
Výsledky popisuje studie zveřejněná v časopise Energy & Environmental Science. Vedl ji tým z Seoul National University ve spolupráci s KAIST a Korea Basic Science Institute. Autoři zkoumali kyslíkovou elektrodu pevnookysidového článku, tedy zařízení s keramickým elektrolytem, který za vyšší teploty vede kyslíkové ionty. Takové články mohou pracovat jako palivové články a vyrábět elektrickou energii, nebo v opačném režimu jako elektrolyzéry pro výrobu vodíku z vody.
Model místo složité elektrody
Určit, kde přesně katalyzátor v reálné porézní elektrodě působí, bývá obtížné. Elektrody používané v praktických článcích mají složitou strukturu, různě velké částice i mnoho vzájemných rozhraní. Výzkumníci proto připravili modelový systém: nanočástice kovů rozmístili v uspořádaných vzorech na tenké vrstvě perovskitového oxidu. Perovskity jsou skupinou oxidových materiálů s krystalovou strukturou, která může umožňovat současný pohyb elektronů a iontů a je proto pro elektrody těchto článků důležitá.
Na povrchu elektrody porovnávali nanočástice stříbra, kobaltu, palladia a platiny. Z testovaných kovů přineslo stříbro nejsilnější zlepšení reakční aktivity. V další části pokusů tým měnil velikost nanočástic i jejich rozmístění. Tím mohl oddělit vliv celkové plochy stříbra od vlivu délky hranice, v níž se stříbro stýká s perovskitovou elektrodou.
V režimu palivového článku probíhá na kyslíkové elektrodě redukce kyslíku: molekuly kyslíku přijímají elektrony a vznikají ionty kyslíku, které pak procházejí keramickým elektrolytem. Rychlost této reakce rostla s délkou rozhraní mezi stříbrem a oxidem. Autoři z toho vyvozují, že právě rozhraní je v tomto režimu hlavním místem reakce. Stříbro zde podle jejich interpretace usnadňuje přenos elektronů na kyslík.
Jiný mechanismus při elektrolýze
V elektrolytickém režimu se proces obrací. Na kyslíkové elektrodě se kyslíkové ionty mění na molekulární kyslík, zatímco na druhé straně článku vzniká vodík. V tomto případě se rychlost reakce zvyšovala s povrchovou plochou stříbrných nanočástic, nikoli především s délkou jejich rozhraní s oxidem. Hlavní úlohu tak zřejmě přebíral povrch stříbra, na němž se kyslíkové atomy spojují do molekul kyslíku a následně se z povrchu uvolňují.
K ověření mechanismu vědci spojili elektrochemická měření se synchrotronovou rentgenovou spektroskopií prováděnou za provozu zařízení a s výpočty na atomární úrovni metodou funkcionálu hustoty. Spektroskopie umožnila sledovat změny na povrchu elektrody během reakce, zatímco výpočty popisovaly možné uspořádání atomů a elektronů. Obě části analýzy podpořily vysvětlení, že stříbro v jednotlivých režimech ovlivňuje jiné kroky kyslíkové reakce.
Práce neukazuje přímo výkon ani životnost hotového průmyslového článku. Závěry vycházejí z řízeného modelového uspořádání, jehož předností je možnost rozlišit vliv povrchu a rozhraní nanočástic. Pro praktické použití bude nutné ověřit, zda se stejný princip projeví také v porézních elektrodách a při dlouhodobém provozu. Studie ale nabízí vodítko pro návrh elektrod: v režimu výroby elektřiny by mohlo být důležité zvětšovat funkční rozhraní kovu a oxidu, zatímco pro elektrolýzu by se návrh mohl soustředit na dostupný povrch kovového katalyzátoru.
Zdroj: ScienceDaily
Tento článek byl vytvořen s pomocí umělé inteligence a redakčně zkontrolován.