Tədqiqatçılar ilk dəfə olaraq eyni gümüş (Ag) nanokatalizatorunun bərk oksid elementinin elektrik enerjisi istehsal etməsindən və ya hidrogen istehsal etməsindən asılı olaraq müxtəlif reaksiya yerlərində işləyə biləcəyini aşkar ediblər. Bu tapıntı, daha yaxşı performans üçün bu yeni nəsil enerji cihazlarının dizaynının yeni bir yolunu göstərir.

İşə Seul Milli Universitetinin (SNU) Materialşünaslıq və Mühəndislik Departamentinin professorları Vu Çul Cunq və Conq Vu Han, KAIST-dəki professor Sang Ouk Kimin komandası və Koreya Əsas Elmlər İnstitutunun (KBSI) Dr. Beomqyun Conqun komandası ilə birlikdə rəhbərlik etmişdir. Onların nəticələri gümüş nanokatalizatorlarının bərk oksid hüceyrələrinin performansını necə yaxşılaşdırdığını aydınlaşdırır və oksigen reaksiyalarının həm yeri, həm də mexanizminin hüceyrənin necə istifadə olunmasından asılı olaraq dəyişdiyini göstərir.

Bərk Oksid Hüceyrələri Necə İşləyir

Bərk oksid hüceyrələri iki fərqli funksiyanı yerinə yetirmək üçün oksigen ionlarını bərk materialdan keçirə bilir. Onlar elektrik enerjisi istehsal edə və ya hidrogen istehsal etmək üçün suyu parçalaya bilirlər.

Bu çox yönlülüyünə görə, texnologiya təmiz enerji və hidrogen istifadəsini genişləndirmək üçün vacib bir seçim kimi qəbul edilir. Potensial tətbiqlər, istismar zamanı istehsal olunan yüksək temperaturlu istidən istifadə edərək elektrik enerjisi istehsal edən bina və fabriklərdə paylanmış birləşdirilmiş istilik və enerji sistemlərindən tutmuş bərpa olunan enerji əsaslı yaşıl hidrogen istehsalına qədər dəyişir.

Tapıntılar qlobal miqyasda tanınmış Energy & Environmental Science jurnalında dərc edilmiş və əhəmiyyətini vurğulayan Xarici Arxa Qapaq məqaləsi kimi seçilmişdir.

Katalizatorların İşini Harada Gördüyünü Dəqiqləşdirmək

Bərk oksid elementlərinin performansı və davamlılığı hava elektrodunda oksigen reaksiyalarının nə qədər tez baş verməsindən çox asılıdır. Lakin real elektrodlar mürəkkəb quruluşa malikdir və bu da tədqiqatçılar üçün nanokatalizatorların bu reaksiyalarda harada iştirak etdiyini və performansı necə yaxşılaşdırdıqlarını dəqiq müəyyən etməyi çətinləşdirir.

Əvvəlki tədqiqatlar artıq metal nanokatalizatorlarının bu hüceyrələrin daha yaxşı işləməsini təmin edə biləcəyini göstərmişdi. Qalan məsələ katalitik aktivliyin əksəriyyətinin birbaşa katalizator səthində, yoxsa katalizatorun elektroda toxunduğu sərhəddə baş verməsi idi. Tədqiqatçılar həmçinin eyni katalitik mexanizmin həm elektrik enerjisi istehsalı, həm də hidrogen istehsalı üçün məsuliyyət daşıdığını bilmirdilər.

Bu sualları araşdırmaq üçün komanda ənənəvi elektrodların daha mürəkkəb arxitekturasına etibar etmək əvəzinə, diqqətlə idarə olunan struktur və tərkibə malik model elektrod yaratdı. Vahid ölçülərə və aralığa malik metal nanopartikullar nizamlı şəkildə düzülmüşdü və bu da tədqiqatçılara katalitik rollarını daha dəqiq araşdırmağa imkan verdi.

Alimlər əvvəlcə gümüş, kobalt, palladium və platin də daxil olmaqla bir neçə metal nanokatalizatoru müqayisə etdilər. Hər biri nazik təbəqəli perovskit oksid elektroduna çökdürüldü və oksigen reaksiyalarını sürətləndirmək qabiliyyəti sınaqdan keçirildi.

Gümüş sınaqdan keçirilmiş metallar arasında ən güclü katalitik inkişafa səbəb oldu.

Gümüş açarları reaksiya saytları

Tədqiqatçılar daha sonra ən vacib reaksiyaların harada baş verdiyini müəyyən etmək üçün gümüş nanopartikullarının ölçüsünü və düzülüşünü dəyişdirdilər.

Oksigen reduksiya reaksiyası (elektrik enerjisi istehsalı) zamanı gümüş nanopartikulları ilə elektrod arasındakı sərhədin uzunluğu artdıqca reaksiya sürətləri də artmışdır. Bu, gümüş ilə elektrod arasındakı sərhədin hüceyrə elektrik enerjisi istehsal edərkən əsas reaksiya yeri olduğunu göstərdi.

Vəziyyət oksigen təkamülü reaksiyası (hidrogen istehsalı) zamanı dəyişdi. Bu rejimdə reaksiya sürəti gümüş nanopartikullarının səth sahəsi ilə artdı. Bu nəticə göstərdi ki, hidrogen istehsalı zamanı gümüş hissəciklərinin səthi özlərinin əsas reaksiya yerinə çevrilir.

Başqa sözlə, eyni nanokatalizator enerji cihazının işləmə istiqamətindən asılı olaraq ən vacib kimyasını iki fərqli yerdə yerinə yetirə bilər.

Tədqiqatçılar tətbiq olunan gərginliyi və oksigen konsentrasiyasını tənzimləməklə bu fərqləri daha da araşdırdılar. Onlar oksigenin reduksiyası zamanı gümüş nanokatalizatorlarının elektronların oksigenə ötürülməsinə kömək etdiyini aşkar etdilər. Oksigenin təkamülü zamanı gümüş oksigen atomlarının oksigen molekullarına birləşməsinə kömək edir və sonra onların sərbəst buraxılmasını dəstəkləyir.

Atom Mexanizminə Daha Yaxından Baxış

Komanda həmçinin sistem işləyərkən elektrod səthində baş verən dəyişiklikləri izləmək üçün sinxrotron əsaslı analizdən istifadə etmişdir. Bu təcrübələr atom miqyaslı nəzəri hesablamalarla birləşdirilmişdir.

Nəticələr göstərdi ki, gümüş nanokatalizatorları elektrod səthinin elektron quruluşunu oksigenin reduksiyasına kömək edən şəkildə dəyişdirir. Oksigen təkamülü zamanı onlar oksigen atomlarının bir-birinə birləşməsini asanlaşdıran şərait yaradırlar.

Bu müşahidələr katalizatorun hüceyrənin elektrik və ya hidrogen istehsal etməsindən asılı olaraq niyə fərqli davrandığını izah etməyə kömək edir.

Təmiz Enerji Katalizatorları üçün Yeni Strategiya

Tapıntılar göstərir ki, nanokatalizatorlara sadəcə kimyəvi reaksiyaları sürətləndirən aşqarlar kimi baxmaq olmaz. Onların aktiv yerləri və işləmə mexanizmləri enerji sisteminin iş rejimi ilə dəyişə bilər.

Bu fikir bərk oksid elementləri üçün yeni dizayn strategiyasını təqdim edir. Tədqiqatçılar katalizatoru tək bir komponent kimi optimallaşdırmaq əvəzinə, bərk oksid yanacaq elementləri və bərk oksid elektroliz elementləri üçün hava elektrodları hazırlayarkən katalizator səthini və katalizator elektrod interfeysini ayrıca mühəndisliklə təmin etməklə performansı artıra bilərlər.

Əgər bu prinsip praktik cihazlara uğurla tətbiq oluna bilsə, binalarda və fabriklərdə istifadə olunan paylanmış enerji sistemlərində elektrik enerjisi istehsalının səmərəliliyini artıra bilər. Həmçinin, yaşıl hidrogen istehsal etmək üçün istifadə edilən bərpa olunan enerji ilə işləyən su elektrolizi üçün tələb olunan elektrik enerjisinin miqdarını azalda bilər.

Bu yanaşma, eyni sistemdə həm elektrik enerjisi, həm də hidrogen istehsal edə bilən geri çevrilə bilən bərk oksid elementlərinin inkişafına da kömək edə bilər. Bu cür cihazlar evlərdə və sənaye müəssisələrində daha səmərəli enerji istehsalına və saxlanmasına dəstək ola bilər.

Digər katalizatorları öyrənmək üçün bir platforma

Tədqiqatçılar tərəfindən hazırlanmış dəqiq idarə olunan nanohissəciklər massivi əsaslı model elektrod, katalizatorların harada işlədiyini və real enerji sistemlərində necə işlədiyini müəyyən etmək üçün bir yol təqdim edir.

Platforma bərk oksid elementlərindən daha çox faydalı ola bilər. Potensial tətbiqlərə hidrogen istehsal cihazları, digər elektrokimyəvi enerji çevrilmə texnologiyaları və oksigen ayırma sistemləri daxildir.

Tədqiqata rəhbərlik edən professor Vu Çul Yunq bildirib: “Bu tədqiqat əhəmiyyətlidir, çünki o, nanokatalizatorların fəaliyyətini kəmiyyətcə qiymətləndirir, eyni zamanda onların faktiki reaksiya yerlərini və işləmə mexanizmlərini müəyyən edir.”

O əlavə etdi: “Biz bunu müxtəlif enerji çevrilmə materiallarına və katalitik sistemlərə tətbiq oluna biləcək yeni bir dizayn prinsipi kimi daha da inkişaf etdirməyi planlaşdırırıq.”

Tədqiqata rəhbərlik edən Dr. Jinwook Kim hazırda Şimal-Qərb Universitetində doktoranturadan sonrakı tədqiqatçıdır və tezliklə Seul Universitetində Materialşünaslıq və Mühəndislik kafedrasında dosent vəzifəsində çalışacaq. O, bu işi yüksək səmərəli enerji çevirmə materialları və cihazlarının inkişafına doğru genişləndirmək məqsədi ilə nanokatalizatorlar və bərk oksid hüceyrələri üzrə tədqiqatları davam etdirməyi planlaşdırır.

Bu tədqiqat Elm və İKT Nazirliyi və Koreya Milli Tədqiqat Fondu (RS-2024-00452853, RS-2025-00521316) tərəfindən dəstəklənib. KBSI-PAL 8A2 AP-XPS şüa xəttində sinxrotron əsaslı AP-XPS tədqiqatı Pohang Sürətləndirici Laboratoriyası/POSTECH və Koreya Əsas Elmlər İnstitutu tərəfindən dəstəklənib.