研究人員首次發現，相同的銀（Ag）奈米催化劑在固態氧化物電池中，可根據其是產生電力或產生氫氣，而在不同的反應位置上運作。這項發現為設計下一代能源裝置以提升效能指明了一條新途徑。

這項研究由首爾大學（SNU）材料科學與工程系的WooChul Jung教授和Jeong Woo Han教授，與KAIST的Sang Ouk Kim教授團隊及韓國基礎科學研究所（KBSI）的Beomgyun Jeong博士團隊共同領導。他們的研究結果闡明了銀奈米催化劑如何提升固態氧化物電池的效能，並顯示氧反應的位置和機制會隨著電池的使用方式而改變。

固態氧化物電池透過固體材料移動氧離子來執行兩種不同的功能。它們可以產生電力，也可以分解水產生氫氣。

由於這種多功能性，該技術被視為擴大清潔能源和氫能使用的重要選項。潛在應用範圍從建築物和工廠中產生電力同時利用高溫熱能的分布式聯合熱電系統，到基於再生能源的綠氫生產。

這些研究成果發表在全球知名的期刊《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science）上，並被選為「外部封底文章」，凸顯了其重要性。

精確鎖定催化劑的作用位置

固態氧化物電池的效能和耐久性很大程度上取決於空氣電極上氧反應發生的速度。但實際的電極結構複雜，使得研究人員難以確定奈米催化劑確切參與反應的位置以及它們如何提升效能。

先前的研究已表明，金屬奈米催化劑可以使這些電池更好地運作。但仍不清楚的是，大部分的催化活性是直接發生在催化劑表面，還是在催化劑與電極接觸的邊界上。研究人員也不知道，產生電力和生產氫氣是否由相同的催化機制負責。

為了探究這些問題，該團隊創建了一個結構和組成經過精心控制的模型電極，而不是依賴傳統電極複雜得多的結構。將尺寸和間距均勻的金屬奈米粒子排列成有序的圖案，讓研究人員能夠更精確地檢視它們的催化作用。

科學家們首先比較了包括銀、鈷、鈀和鉑在內的幾種金屬奈米催化劑。每種催化劑都沉積在薄膜鈣鈦礦氧化物電極上，並測試其加速氧反應的能力。

在測試的金屬中，銀產生了最強的催化增強效果。

隨後，研究人員改變了銀奈米粒子的尺寸和排列方式，以確定最重要的反應發生在哪裡。

在氧還原反應（發電）過程中，隨著銀奈米粒子與電極之間邊界的長度增加，反應速率也隨之增加。這表明當電池產生電力時，銀與電極之間的界面是主要的反應位置。

在氧析出反應（產氫）過程中，情況發生了變化。在此模式下，反應速率隨著銀奈米粒子表面積的增加而增加。該結果表明，在生產氫氣過程中，銀粒子本身的表面成為主要的反應位置。

換句話說，相同的奈米催化劑可以根據能源裝置的運作方向，在兩個不同的位置執行其最重要的化學反應。

研究人員透過調整施加的電壓和氧濃度進一步檢視了這些差異。他們發現，在氧還原過程中，銀奈米催化劑有助於將電子轉移給氧。在氧析出過程中，銀則有助於氧原子結合形成氧分子，然後支持其釋放。

深入探討原子機制

該團隊還利用同步輻射分析，觀察系統運作時電極表面發生的變化。這些實驗與原子尺度的理論計算相結合。

結果顯示，銀奈米催化劑改變了電極表面的電子結構，有利於氧還原。在氧析出過程中，它們創造了有利於氧原子結合的條件。

這些觀察有助於解釋為何催化劑在電池產生電力或氫氣時表現不同。

清潔能源催化劑的新策略

研究結果表明，奈米催化劑不應僅被視為加速化學反應的添加劑。它們的活性位置和運作機制會隨著能源系統的運作模式而改變。

這一見解為固態氧化物電池引入了新的設計策略。在開發固態氧化物燃料電池和固態氧化物電解池的空氣電極時，研究人員可能無需僅僅優化單一組分的催化劑，而是可以分別設計催化劑表面和催化劑電極界面來提升效能。

如果這一原則能成功應用於實際裝置，它將能提高用於建築物和工廠的分布式能源系統的發電效率。它還能降低用於再生能源驅動的水電解以生產綠氫所需的電力。

這種方法還有助於推進可逆固態氧化物電池的發展，這類電池能夠在同一系統內同時產生電力和生產氫氣。這類裝置可以支持家庭和工業設施中更有效的能源生產和儲存。

研究其他催化劑的平台

研究人員開發的基於精確控制的奈米粒子陣列的模型電極，也提供了一種方法來識別催化劑在實際能源系統中的作用位置和功能。

該平台在固態氧化物電池之外也有廣泛的潛在應用。潛在應用包括氫氣生產裝置、其他電化學能源轉換技術以及氧氣分離系統。

研究領導者WooChul Jung教授表示：「這項研究之所以重要，是因為它在量化評估奈米催化劑效能的同時，也確定了它們實際的反應位置和運作機制。」

他補充說：「我們計劃進一步將其確立為一種新的設計原則，可用於各種能源轉換材料和催化系統。」

研究領導者之一的Jinwook Kim博士目前是西北大學的博士後研究員，即將加入首爾大學材料科學與工程系擔任助理教授。他計劃繼續研究奈米催化劑和固態氧化物電池，目標是將這項工作延伸到開發高效能的能源轉換材料和裝置。

本研究由科學技術資訊通信部和韓國國家研究基金會（RS-2024-00452853、RS-2025-00521316）資助。韓國基礎科學研究所的同步輻射AP-XPS研究（KBSI-PAL 8A2 AP-XPS光束線）由浦項加速器實驗室/POSTECH和韓國基礎科學研究所提供支持。