研究人员首次发现，同一种银（Ag）纳米催化剂可以根据固体氧化物电池是产生电力还是生成氢气而在不同的反应位点上工作。这一发现指向了一种新的设计下一代能源设备以提高性能的方法。本项研究由首尔国立大学（SNU）材料科学与工程系的WooChul Jung教授和Jeong Woo Han教授领导，与KAIST的Sang Ouk Kim教授团队以及韩国基础科学研究院（KBSI）的Beomgyun Jeong博士团队合作完成。他们的结果澄清了银纳米催化剂如何改善固体氧化物电池的性能，并显示出氧反应的位点和机制会根据电池的使用方式而改变。固体氧化物电池的工作原理固体氧化物电池通过固体材料传输氧离子以执行两种不同的功能。它们可以产生电力，也可以分解水以生产氢气。由于这种多功能性，该技术被视为扩展清洁能源和氢气使用的重要选择。潜在应用范围从建筑物和工厂的分布式联合热电系统，该系统在发电的同时利用操作中产生的高温热量，到基于可再生能源的绿色氢气生产。这些发现发表在全球著名期刊《能源与环境科学》中，并被选为封底文章，突显了其重要性。确定催化剂的工作位置固体氧化物电池的性能和耐久性在很大程度上依赖于氧反应在空气电极上的发生速度。但是，现实电极结构复杂，使研究人员难以确切确定纳米催化剂在这些反应中参与的位置及其改善性能的方式。早期研究已表明金属纳米催化剂可以使这些电池工作得更好。尚不清楚的是，大部分催化活性是否直接发生在催化剂表面，或是在催化剂接触电极的边界处。研究人员也不知道同样的催化机制是否负责电力生成和氢气生产。为了探讨这些问题，研究团队创建了一个结构和成分经过仔细控制的模型电极，而不是依赖于传统电极的更复杂的结构。均匀大小和间距的金属纳米颗粒以有序模式排列，使研究人员能够更精确地检查其催化作用。科学家们首先比较了几种金属纳米催化剂，包括银、钴、钯和铂。每种催化剂都沉积在薄膜钙钛矿氧化物电极上，并测试其加速氧反应的能力。在所测试的金属中，银产生了最强的催化改善。银切换反应位点研究人员随后改变了银纳米颗粒的大小和排列，以确定最重要的反应发生在哪里。在氧还原反应（发电）期间，随着银纳米颗粒与电极之间边界长度的增加，反应速率上升。这表明，当电池在发电时，银与电极之间的界面是主要反应位点。氢气生产期间的情况发生了变化。在这种模式下，反应速率随着银纳米颗粒的表面积增加而上升。这个结果表明在氢气生产期间，银颗粒本身的表面成为主要反应位点。换句话说，同一种纳米催化剂可以根据能源设备的运行方向在两个不同的位置执行其最重要的化学反应。研究人员通过调整施加的电压和氧浓度进一步考察了这些差异。他们发现，在氧还原期间，银纳米催化剂有助于将电子转移到氧上。而在氧气析出期间，银则有助于氧原子结合成氧分子，然后支持它们的释放。更深入地了解原子机制研究团队还使用同步辐射分析来观察系统运行时电极表面发生的变化。这些实验与原子尺度的理论计算相结合。结果显示，银纳米催化剂以有利于氧还原的方式改变电极表面的电子结构。在氧析出期间，它们创造出有利于氧原子结合的条件。这些观察有助于解释催化剂的行为为何会根据电池是产生电力还是氢气而有所不同。清洁能源催化剂的新策略研究结果表明，纳米催化剂