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)原子級的解溶液和相變現(xiàn)象，向開發(fā)高性能催化劑邁進了一步。

POSTECH化學工程系的候選人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），從鈣鈦礦結構轉變?yōu)榫哂屑{米顆粒ex-solution1到表面的層狀結構的機理，并證實了其機理，電位作為電極和化學催化劑。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》的封底發(fā)表。

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

通過使用密度泛函理論計算和原位X射線衍射光譜實驗對Co摻雜的Pr0.5Ba0.5MnO3?δ（PBMCO）進行了研究，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。事實證明，在Pr層上氧空位的選擇性形成在向層狀鈣鈦礦的相變中起關鍵作用。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。這些結果可以指導高活性鈣鈦礦基氧化還原催化劑的設計。

催化劑是增強化學反應的物質。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，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，無需任何特殊過程即可自動發(fā)生此現(xiàn)象。當材料內(nèi)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。

著眼于這些功能，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可觀察材料中實時晶體結構變化的原位XRD2實驗證明了這一點。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。

我們能夠準確理解以前實驗中難以確認的原子單位材料，并成功地證明了這一點，從而克服了現(xiàn)有研究的局限性，并且成功地展示了它們，主持這項研究的鄭雨漢教授解釋說，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。