Gümüş nanokatalizörler, enerji üretimi ve hidrojen üretimi arasındaki reaksiyon bölgelerini değiştiriyor

Araştırmacılar ilk kez aynı gümüş (Ag) nanokatalizörünün, katı oksit hücresinin elektrik mi yoksa hidrojen mi ürettiğine bağlı olarak farklı reaksiyon bölgelerinde çalıştığını keşfettiler. Bu bulgu, yeni nesil katı oksit hücrelerin performansını artırmak için yeni bir tasarım ilkesini ortaya koyuyor.

Seul Ulusal Üniversitesi (SNU) Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nden profesörler WooChul Jung ve Jeong Woo Han liderliğindeki ortak bir araştırma ekibi, KAIST’ten profesör Sang Ouk Kim’in ekibi ve Kore Temel Bilim Enstitüsü’nden (KBSI) Dr. Beomgyun Jeong’un ekibiyle işbirliği içinde, katı oksit hücrelerinin performansını artıran gümüş nanokatalizörlerin çalışma mekanizmasını açıkladı. Ekip, oksijen reaksiyonlarının bölgelerinin ve mekanizmalarının hücrenin çalışma moduna bağlı olarak değiştiğini doğruladı.

Katı oksit hücreleri, elektrik üretmek için oksijen iyonlarının taşınmasını kullanan veya hidrojen üretmek için suyu bölen yeni nesil enerji cihazlarıdır. Temiz enerji üretimini ve hidrojen kullanımını genişletmek için önemli bir teknoloji olarak kabul ediliyorlar çünkü bunlar, binalardaki ve fabrikalardaki dağıtılmış birleşik ısı ve güç sistemlerinden, işletme sırasında üretilen yüksek sıcaklıktaki ısıyı kullanarak elektrik üreten yenilenebilir enerjiye dayalı yeşil hidrojen üretimine kadar geniş bir yelpazedeki sistemlere uygulanabiliyor.

Bulgular dergide yayınlandı Enerji ve Çevre Bilimi (Etki Faktörü: 30,5) ve bunların önemi vurgulanarak Arka Kapak Dışı makalesi olarak seçildi.

Katı oksit hücrelerin performansı ve ömrü büyük ölçüde hava elektrotundaki oksijen reaksiyonlarının hızıyla belirlenir. Ancak gerçek elektrotların yapısal karmaşıklığı nedeniyle nanokatalizörlerin bu reaksiyonlara nerede ve nasıl katkıda bulunduğunu tam olarak belirlemek zor olmuştur. Önceki çalışmalar metal nanokatalizörlerin hücre performansını iyileştirdiğini ortaya koyarken, katalitik aktivitenin öncelikle katalizör yüzeyinde mi yoksa katalizör ile elektrot arasındaki arayüzde mi meydana geldiği belirsizliğini korudu. Elektrik üretimi ve hidrojen üretimi sırasında katalizörlerin aynı şekilde çalışıp çalışmadığı da bilinmiyordu.

Bu zorlukların üstesinden gelmek için araştırma ekibi, yapısal olarak karmaşık gerçek elektrotlar kullanmak yerine, hassas bir şekilde kontrol edilen yapıya ve bileşime sahip bir model elektrot sistemi geliştirdi. Katalitik rollerini hassas bir şekilde analiz etmek için düzgün boyutlu ve aralıklı metal nanoparçacıkları sıralı diziler halinde düzenlediler.

İlk olarak, gümüş, kobalt, paladyum ve platin dahil olmak üzere çeşitli metal nanokatalizörler, ince film perovskit oksit elektrot üzerinde biriktirildi ve bunların oksijen reaksiyonlarını destekleme yetenekleri karşılaştırıldı. Bunlar arasında gümüş nanokatalizörler en güçlü katalitik gelişmeyi sergiledi.

Daha sonra ekip, model platformdaki gümüş nanopartiküllerin boyutunu ve düzenini sistematik olarak değiştirerek reaksiyon bölgelerini analiz etti. Oksijen indirgeme reaksiyonu (elektrik üretimi) sırasında, reaksiyon hızının, gümüş nanopartiküller ile elektrot arasındaki arayüzün uzunluğuyla arttığını buldular; bu, bu arayüzün birincil reaksiyon bölgesi olarak hizmet ettiğini gösteriyor. Buna karşılık, oksijen oluşumu reaksiyonu (hidrojen üretimi) sırasında reaksiyon hızı, gümüş nanopartiküllerin yüzey alanıyla birlikte arttı ve bu da partikül yüzeyinin kendisinin anahtar reaksiyon bölgesi olarak hizmet ettiğini gösterdi.

Ekip ayrıca uygulanan voltajı ve oksijen konsantrasyonunu kontrol ederek iki reaksiyonu ayrıntılı olarak karşılaştırdı. Gümüş nanokatalizörlerin, oksijenin indirgenmesi sırasında oksijene elektron transferini kolaylaştırdığını, oksijen evrimi sırasında ise oksijen atomlarının oksijen molekülleri halinde birleşimini ve bunların daha sonra salınmasını teşvik ettiklerini buldular.

Araştırmacılar ayrıca atomik ölçekte teorik hesaplamalarla birlikte çalışma sırasında elektrot yüzeyindeki değişiklikleri gözlemlemelerine olanak tanıyan senkrotron bazlı analiz de gerçekleştirdiler. Bu analizler, gümüş nanokatalizörlerin, oksijen indirgenmesini teşvik etmek ve oksijen oluşumu sırasında oksijen atomu eşleşmesi için uygun bir ortam sağlamak üzere elektrot yüzeyinin elektronik yapısını değiştirdiğini ortaya çıkardı.

Bu çalışma, nanokatalizörlerin sadece reaksiyon hızlarını artıran katkı maddeleri olmadığını, reaksiyon bölgelerinin ve mekanizmalarının çalışma moduna bağlı olarak değişebileceğini göstermesi açısından önemlidir. Özellikle, katı oksit yakıt hücreleri ve katı oksit elektroliz hücreleri için hava elektrotları tasarlanırken, katalizör yüzeyinin ve katalizör-elektrot arayüzünün ayrı ayrı optimize edilmesi gereken yeni bir tasarım stratejisi önermektedir.

Pratik cihazlara uygulandığında, bu tasarım ilkesinin binalar ve fabrikalar için dağıtılmış enerji sistemlerinin enerji üretim verimliliğini arttırması ve yeşil hidrojen üretimi için yenilenebilir enerjiyle çalışan su elektroliz sistemlerinde elektrik tüketimini azaltması bekleniyor. Ayrıca, tek bir sistemde hem elektrik hem de hidrojen üretebilen, konut ve endüstriyel ortamlarda daha verimli enerji üretimi ve depolamayı mümkün kılan tersinir katı oksit hücrelerin ticarileşmesini hızlandırabilir.

Ayrıca bu çalışmada geliştirilen hassas kontrollü nanopartikül dizisi tabanlı model elektrot, katalizörlerin gerçek sistemlerde nerede ve nasıl çalıştığını ayırt etmeye yönelik bir araştırma platformu görevi görmektedir. Bu platform sadece katı oksit hücrelerine değil aynı zamanda hidrojen üretim cihazlarına, çeşitli elektrokimyasal enerji dönüşüm sistemlerine ve oksijen ayırma teknolojilerine de uygulanabilmektedir.

Araştırmayı yöneten Jung şunları söyledi: “Bu araştırma önemlidir çünkü nanokatalizörlerin performansını niceliksel olarak değerlendirirken aynı zamanda onların gerçek reaksiyon bölgelerini ve çalışma mekanizmalarını da belirler.”

“Bunu çeşitli enerji dönüşüm malzemelerine ve katalitik sistemlere uygulanabilecek yeni bir tasarım ilkesi olarak daha da geliştirmeyi planlıyoruz.”

Araştırmayı yöneten Dr. Jinwook Kim, şu anda Northwestern Üniversitesi’nde doktora sonrası araştırmacı olarak görev yapıyor ve yakında Seul Üniversitesi’nin Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Bölümü’nde yardımcı doçent olarak katılacak. Nanokatalizörler ve katı oksit hücreleri üzerine araştırmalara devam etmeyi ve bu çalışmayı yüksek verimli enerji dönüşüm malzemeleri ve cihazlarının geliştirilmesine doğru genişletmeyi planlıyor.