قدم الباحثون استراتيجية جديدة لتعزيز النشاط التحفيزي باستخدام أكسيد التنغستن كمحفز أحادي الذرة (SAC). هذه الإستراتيجية، التي تعمل على تحسين تفاعل تطور الهيدروجين (HER) في معدن البلاتين (pt) بشكل كبير بمقدار 16.3 مرة، تلقي الضوء على تطوير تقنيات المحفزات الكهروكيميائية الجديدة.

وقد تم وصف الهيدروجين كبديل واعد للوقود الأحفوري. ومع ذلك، فإن معظم طرق إنتاج الهيدروجين الصناعي التقليدية تأتي مع مشاكل بيئية، حيث تطلق كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون والغازات الدفيئة.

يعتبر تقسيم الماء الكهروكيميائي طريقة محتملة لإنتاج الهيدروجين النظيف. يعد Pt أحد المحفزات الأكثر استخدامًا لتحسين أداء HER في تقسيم المياه الكهروكيميائية، لكن التكلفة العالية وندرة Pt تظل عقبات رئيسية أمام التطبيقات التجارية الجماعية.

تم تحديد SACs، حيث يتم تفريق جميع الأنواع المعدنية بشكل فردي على مادة الدعم المرغوبة، كطريقة واحدة لتقليل كمية استخدام Pt، لأنها توفر الحد الأقصى لعدد ذرات Pt المكشوفة على السطح.

مستوحاة من الدراسات السابقة، التي ركزت بشكل رئيسي على SACs المدعومة بمواد كربونية، قام فريق بحث KAIST بقيادة البروفيسور جينوو لي من قسم الهندسة الكيميائية والجزيئية الحيوية بدراسة تأثير المواد الداعمة على أداء SACs.

اقترح البروفيسور لي وباحثوه أن يكون أكسيد التنغستن ذو المسام المتوسطة مادة داعمة جديدة لـ Pt المشتت ذريًا، حيث كان من المتوقع أن يوفر موصلية إلكترونية عالية ويكون له تأثير تآزري مع Pt.

وقاموا بمقارنة أداء الذرة المفردة Pt المدعومة بأكسيد الكربون وأكسيد التنغستن على التوالي. كشفت النتائج أن تأثير الدعم حدث مع تحت أكسيد التنغستن، حيث كان النشاط الكتلي لذرة واحدة Pt مدعومة بسوب أكسيد التنغستن أكبر بمقدار 2.1 مرة من نشاط ذرة واحدة Pt مدعومة بالكربون، وأعلى 16.3 مرة من نشاط Pt الجسيمات النانوية المدعومة بالكربون.

أشار الفريق إلى حدوث تغيير في البنية الإلكترونية لـ Pt عبر نقل الشحنة من أكسيد التنغستن إلى Pt. تم الإبلاغ عن هذه الظاهرة نتيجة للتفاعل القوي للدعم المعدني بين Pt وأكسيد التنغستن.

وأفادت مجموعة البحث أنه يمكن تحسين أداء HER ليس فقط عن طريق تغيير الهيكل الإلكتروني للمعدن المدعوم، ولكن أيضًا عن طريق إحداث تأثير داعم آخر، وهو التأثير غير المباشر. انسكاب الهيدروجين هو ظاهرة ينتقل فيها الهيدروجين الممتز من سطح إلى آخر، ويحدث ذلك بسهولة أكبر عندما يصبح حجم Pt أصغر.

قارن الباحثون أداء الجسيمات النانوية أحادية الذرة Pt وPt المدعومة بأكسيد التنغستن. أظهرت الذرة المفردة Pt المدعومة بأكسيد التنغستن درجة أعلى من ظاهرة انتشار الهيدروجين، مما عزز نشاط كتلة Pt لتطور الهيدروجين بما يصل إلى 10.7 مرة مقارنة بالجسيمات النانوية Pt المدعومة بأكسيد التنغستن.

وقال البروفيسور لي: "إن اختيار مادة الدعم المناسبة أمر مهم لتحسين التحفيز الكهربائي في إنتاج الهيدروجين. إن محفز ثاني أكسيد التنغستن الذي استخدمناه لدعم Pt في دراستنا يشير إلى أن التفاعلات بين المعدن المتوافق جيدًا والدعم يمكن أن تعزز بشكل كبير كفاءة العملية.