燃料電池作為一種環(huán)保能源受到關(guān)注，它通過(guò)水電解的逆反應(yīng)同時(shí)獲得電能和熱量。因此，提高反應(yīng)效率的催化劑與燃料電池的性能直接相關(guān)。為此，POSTECH-UNIST聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)首次發(fā)現(xiàn)原子級(jí)的解溶液和相變現(xiàn)象，向開發(fā)高性能催化劑邁進(jìn)了一步。

POSTECH化學(xué)工程系的候選人KyeounghakKim和UNIST的GuntaeKim教授發(fā)現(xiàn)了PBMO（一種用于燃料電池的催化劑），從鈣鈦礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂屑{米顆粒ex-solution1到表面的層狀結(jié)構(gòu)的機(jī)理，并證實(shí)了其機(jī)理，電位作為電極和化學(xué)催化劑。這些研究結(jié)果最近作為能源領(lǐng)域的國(guó)際期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》的封底發(fā)表。

取決于還原環(huán)境的材料相轉(zhuǎn)變，溶液前顆粒形成以及催化活性變化過(guò)程的示意圖。

通過(guò)使用密度泛函理論計(jì)算和原位X射線衍射光譜實(shí)驗(yàn)對(duì)Co摻雜的Pr0.5Ba0.5MnO3?δ（PBMCO）進(jìn)行了研究，以了解如何發(fā)生從PBMCO到層狀PBMCO的相變。還闡明了Co摻雜劑在相變和解溶液中的作用。事實(shí)證明，在Pr層上氧空位的選擇性形成在向?qū)訝钼}鈦礦的相變中起關(guān)鍵作用。溶解的Co納米顆粒顯示出比摻雜的Co納米顆粒更高的催化活性。這些結(jié)果可以指導(dǎo)高活性鈣鈦礦基氧化還原催化劑的設(shè)計(jì)。

催化劑是增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。PBMO（Pr0.5Ba0.5MnO3-δ）是燃料電池的催化劑之一，是一種即使直接用作烴而不是氫也能穩(wěn)定運(yùn)行的材料。特別是，在失去氧的還原環(huán)境下，由于變?yōu)閷訝罱Y(jié)構(gòu)，因此顯示出高的離子傳導(dǎo)性。同時(shí)，也能發(fā)生析出現(xiàn)象，其中金屬氧化物內(nèi)部的元素偏析到表面。

在還原環(huán)境下，無(wú)需任何特殊過(guò)程即可自動(dòng)發(fā)生此現(xiàn)象。當(dāng)材料內(nèi)部的元素上升到表面時(shí)，燃料電池的穩(wěn)定性和性能會(huì)大大提高。但是，由于形成這些高性能催化劑的過(guò)程是未知的，因此難以設(shè)計(jì)材料。

著眼于這些功能，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)該過(guò)程經(jīng)歷了相變，顆粒脫附和催化劑形成的過(guò)程。使用基于量子力學(xué)的第一性原理計(jì)算和可觀察材料中實(shí)時(shí)晶體結(jié)構(gòu)變化的原位XRD2實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)。研究人員還證實(shí)，用這種方法開發(fā)的氧化催化劑顯示出比傳統(tǒng)催化劑高出四倍的性能，這證明該研究適用于各種化學(xué)催化劑。

我們能夠準(zhǔn)確理解以前實(shí)驗(yàn)中難以確認(rèn)的原子單位材料，并成功地證明了這一點(diǎn)，從而克服了現(xiàn)有研究的局限性，并且成功地展示了它們，主持這項(xiàng)研究的鄭雨漢教授解釋說(shuō)，由于這些載體材料和納米催化劑可用于減少?gòu)U氣、傳感器、燃料電池、化學(xué)催化劑等，因此，未來(lái)有望在許多領(lǐng)域進(jìn)行積極的研究。