Один и тот же катализатор может выполнять свою работу в разных местах — в зависимости от того, вырабатывает устройство электричество или производит водород. Именно такое неожиданное поведение учёные обнаружили у наночастиц серебра.
Исследование касается твёрдооксидных ячеек — устройств, в которых ионы кислорода перемещаются через твёрдый материал. Такие системы способны работать в двух направлениях: вырабатывать электричество или использовать его для расщепления воды и получения водорода.
Одна из ключевых проблем подобных устройств — скорость реакций кислорода на воздушном электроде. Известно, что металлические наночастицы могут значительно ускорять эти процессы, но до сих пор оставалось неясно, где именно происходит основная реакция: на поверхности самого катализатора или на границе между ним и электродом.
Чтобы разобраться в этом, исследователи создали упрощённый модельный электрод с точно контролируемой структурой. Наночастицы одинакового размера размещались на нём в упорядоченном виде, благодаря чему можно было отдельно оценивать влияние их поверхности и границ соприкосновения с электродом.
Сначала учёные сравнили несколько металлов — серебро, кобальт, палладий и платину. Все они наносились на тонкий оксидный электрод и проверялись на способность ускорять кислородные реакции.
Лучший результат показало серебро.
После этого исследователи начали изменять размер и расположение серебряных наночастиц. И именно здесь обнаружилась необычная закономерность.
Когда ячейка работала в режиме выработки электричества, реакция ускорялась по мере увеличения длины границы между частицами серебра и электродом. Это означало, что главным активным участком становилось именно место их соприкосновения.
Но при переходе к производству водорода всё менялось.
Теперь скорость реакции зависела уже от площади поверхности серебряных частиц. То есть основная химия происходила не на границе с электродом, а непосредственно на поверхности нанокатализатора.
Получается, одна и та же серебряная частица словно переключает рабочую зону в зависимости от направления процесса.
Исследователи дополнительно изменяли напряжение и концентрацию кислорода, чтобы понять причины такого поведения. В режиме выработки электричества серебро помогало передавать электроны кислороду. При производстве водорода оно выполняло другую задачу — облегчало соединение отдельных атомов кислорода в молекулы и их последующее высвобождение.
Наблюдения за поверхностью работающего электрода и расчёты на атомном уровне подтвердили эту разницу. Оказалось, что серебро меняет электронную структуру поверхности электрода так, что в одном режиме становится выгоднее восстановление кислорода, а в другом создаются условия для соединения атомов кислорода между собой.
Это означает, что нанокатализаторы нельзя рассматривать просто как добавку, которая одинаково ускоряет реакцию при любых условиях. Даже у одного и того же материала активный участок и механизм работы могут меняться вместе с режимом устройства.
Авторы считают, что это открывает новый подход к проектированию твёрдооксидных ячеек. Вместо того чтобы улучшать катализатор как единое целое, можно отдельно оптимизировать его поверхность и границу соприкосновения с электродом.
Такой подход потенциально способен повысить эффективность систем, вырабатывающих электричество, а также уменьшить затраты энергии при производстве водорода из воды.
Особенно интересны обратимые твёрдооксидные ячейки, которые могут в одном устройстве как вырабатывать электричество, так и производить водород. Для них возможность отдельно настраивать два разных механизма работы одного катализатора может оказаться особенно полезной.
Созданная исследователями модельная система также позволяет точнее определять, где именно работают катализаторы и что происходит с ними во время реакции. Авторы предполагают, что такой подход можно применять не только к твёрдооксидным ячейкам, но и к другим технологиям преобразования энергии, производства водорода и разделения кислорода.
