燃料電池作為一種環(huán)保能源受到關注，它通過水電解的逆反應同時獲得電能和熱量。因此，提高反應效率的催化劑與燃料電池的性能直接相關。為此，POSTECH-UNIST聯(lián)合研究團隊通過首次發(fā)現(xiàn)原子級的電解溶液相變現(xiàn)象，向開發(fā)高性能催化劑邁進了一步。

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

催化劑是增強化學反應的物質。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構，因此顯示出高的離子傳導性。同時，發(fā)生析出現(xiàn)象，其中金屬氧化物內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發(fā)生此現(xiàn)象。當材料內部的元素上升到表面時，燃料電池的穩(wěn)定性和性能會大大提高。但是，由于形成這些高性能催化劑的過程是未知的，因此難以設計材料。

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，研究團隊確認該過程經(jīng)歷了相變，顆粒脫附和催化劑形成的過程。使用基于量子力學的第一性原理計算和原位XRD，實驗證明了這一點，該實驗可以觀察材料中實時晶體結構的變化。研究人員還證實，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催化劑。

XRD（X射線衍射）：一種分析方法，當X射線照射到材料上時，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構。

能夠準確理解以前實驗中難以確定的原子單位材料，并成功地進行了演示，從而通過準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、化學催化劑等，因此，未來有望在許多領域進行積極的研究。

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