燃料電池作為一種環(huán)保能源受到關(guān)注，它通過水電解的逆反應(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)通過首次發(fā)現(xiàn)原子級的電解溶液相變現(xiàn)象，向開發(fā)高性能催化劑邁進(jìn)了一步。

鄭雨漢教授和博士的聯(lián)合研究小組，POSTECH化學(xué)工程系的候選人KyeounghakKim和UNIST的GuntaeKim教授發(fā)現(xiàn)了PBMO（燃料電池中的催化劑），從鈣鈦礦結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閷訝罱Y(jié)構(gòu)的機(jī)制，納米顆粒在溶液中易溶解，確認(rèn)其作為電極和化學(xué)催化劑的潛力。這些研究結(jié)果最近作為能源領(lǐng)域的國際期刊《能源與環(huán)境科學(xué)》的封面封底發(fā)表。

催化劑是增強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)。PBMO（Pr0.5Ba0.5MnO3-δ），一種燃料電池催化劑，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)，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，無需任何特殊過程即可自動(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程是未知的，因此難以設(shè)計(jì)材料。

圖1.取決于還原環(huán)境的材料相變，溶液前顆粒形成以及催化活性變化過程的示意圖。

著眼于這些特征，研究團(tuán)隊(duì)確認(rèn)該過程經(jīng)歷了相變，顆粒脫附和催化劑形成的過程。使用基于量子力學(xué)的第一性原理計(jì)算和原位XRD，實(shí)驗(yàn)證明了這一點(diǎn)，該實(shí)驗(yàn)可以觀察材料中實(shí)時(shí)晶體結(jié)構(gòu)的變化。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。

XRD（X射線衍射）：一種分析方法，當(dāng)X射線照射到材料上時(shí)，該分析方法基于在特定角度發(fā)生的衍射來識別材料的晶體結(jié)構(gòu)。

能夠準(zhǔn)確理解以前實(shí)驗(yàn)中難以確定的原子單位材料，并成功地進(jìn)行了演示，從而通過準(zhǔn)確理解原子單位中難以確定的材料克服了現(xiàn)有研究的局限性，并且成功地展示了它們。由于這些載體材料和納米催化劑可用于減少廢氣、傳感器、燃料電池、化學(xué)催化劑等，因此，未來有望在許多領(lǐng)域進(jìn)行積極的研究。

這項(xiàng)研究是在三星研究資助與孵化中心以及韓國能源技術(shù)評估與規(guī)劃研究所的支持下進(jìn)行的。