Ερευνητές στη Νότια Κορέα ανακάλυψαν ότι οι ίδιοι νανοκαταλύτες αργύρου λειτουργούν σε διαφορετικά σημεία αντίδρασης, ανάλογα με το αν μια κυψέλη στερεού οξειδίου παράγει ηλεκτρική ενέργεια ή υδρογόνο.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο «Energy & Environmental Science», αποκαλύπτει έναν νέο τρόπο σχεδιασμού ηλεκτροδίων για συστήματα που μπορούν να μετατρέπουν την ενέργεια και να παράγουν καθαρό υδρογόνο.
Οι κυψέλες στερεού οξειδίου χρησιμοποιούν τη μεταφορά ιόντων οξυγόνου για δύο αντίθετες λειτουργίες. Μπορούν να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια ή να διασπούν νερό για την παραγωγή υδρογόνου. Η απόδοσή τους εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις αντιδράσεις οξυγόνου στο ηλεκτρόδιο αέρα.
Διαφορετικό σημείο για κάθε λειτουργία
Για να εντοπίσουν πού ακριβώς δρουν οι νανοκαταλύτες, οι ερευνητές δημιούργησαν ένα μοντέλο ηλεκτροδίου με νανοσωματίδια αυστηρά ελεγχόμενου μεγέθους και διάταξης.
Ανάμεσα σε άργυρο, κοβάλτιο, παλλάδιο και πλατίνα, ο άργυρος παρουσίασε τη μεγαλύτερη καταλυτική ενίσχυση. Όταν η κυψέλη παρήγαγε ηλεκτρική ενέργεια, η αντίδραση αναγωγής του οξυγόνου ενισχυόταν όσο μεγάλωνε η επιφάνεια επαφής ανάμεσα στα νανοσωματίδια αργύρου και το ηλεκτρόδιο.
Αντίθετα, κατά την παραγωγή υδρογόνου, η αντίδραση εξέλιξης του οξυγόνου εξαρτιόταν κυρίως από την ίδια την επιφάνεια των νανοσωματιδίων.
Έτσι, το κυρίαρχο σημείο αντίδρασης μετατοπίζεται ανάμεσα στη διεπιφάνεια μετάλλου και ηλεκτροδίου και στην επιφάνεια του μεταλλικού σωματιδίου, ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας της κυψέλης.
Νέα προσέγγιση στον σχεδιασμό
Οι αναλύσεις με ακτινοβολία συγχρότρου και οι θεωρητικοί υπολογισμοί σε ατομική κλίμακα έδειξαν ότι οι νανοκαταλύτες αργύρου τροποποιούν την ηλεκτρονική δομή της επιφάνειας του ηλεκτροδίου. Με αυτόν τον τρόπο διευκολύνουν την αναγωγή του οξυγόνου, ενώ κατά την αντίθετη λειτουργία δημιουργούν ευνοϊκές συνθήκες για την ένωση ατόμων οξυγόνου και την απελευθέρωση μορίων οξυγόνου.
Το εύρημα δείχνει ότι οι νανοκαταλύτες δεν λειτουργούν απλώς ως πρόσθετα που αυξάνουν την ταχύτητα των αντιδράσεων. Ο τρόπος και το σημείο όπου δρουν μεταβάλλονται ανάλογα με τη λειτουργία της συσκευής.
Η νέα αρχή σχεδιασμού θα μπορούσε να οδηγήσει σε αποδοτικότερες κυψέλες στερεού οξειδίου, μειώνοντας την κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας στην παραγωγή πράσινου υδρογόνου και αυξάνοντας την απόδοση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας.
Παράλληλα, η προσέγγιση μπορεί να συμβάλει στην ανάπτυξη αναστρέψιμων κυψελών στερεού οξειδίου, οι οποίες μπορούν να παράγουν ηλεκτρισμό όταν χρειάζεται και να αποθηκεύουν ενέργεια μέσω παραγωγής υδρογόνου όταν υπάρχει διαθέσιμη ανανεώσιμη ηλεκτρική ενέργεια.