Forscher stellten eine neue Strategie zur Verbesserung der katalytischen Aktivität unter Verwendung von Wolframsuboxid als Einzelatomkatalysator (SAC) vor. Diese Strategie, die die Wasserstoffentwicklungsreaktion (HER) im metallischen Platin (pt) deutlich um das 16,3-fache verbessert, wirft Licht auf die Entwicklung neuer elektrochemischer Katalysatortechnologien.

Wasserstoff wird als vielversprechende Alternative zu fossilen Brennstoffen angepriesen. Allerdings sind die meisten herkömmlichen industriellen Wasserstoffproduktionsmethoden mit Umweltproblemen verbunden, da erhebliche Mengen an Kohlendioxid und Treibhausgasen freigesetzt werden.

Die elektrochemische Wasserspaltung gilt als möglicher Ansatz zur sauberen Wasserstoffproduktion. Pt ist einer der am häufigsten verwendeten Katalysatoren zur Verbesserung der HER-Leistung bei der elektrochemischen Wasserspaltung, doch die hohen Kosten und die Knappheit von Pt bleiben wesentliche Hindernisse für kommerzielle Massenanwendungen.

SACs, bei denen alle Metallspezies einzeln auf einem gewünschten Trägermaterial verteilt sind, wurden als eine Möglichkeit zur Reduzierung des Pt-Verbrauchs identifiziert, da sie die maximale Anzahl an oberflächenexponierten Pt-Atomen bieten.

Inspiriert durch frühere Studien, die sich hauptsächlich auf SACs konzentrierten, die durch kohlenstoffbasierte Materialien unterstützt wurden, untersuchte ein KAIST-Forschungsteam unter der Leitung von Professor Jinwoo Lee vom Department of Chemical and Biomolecular Engineering den Einfluss von Trägermaterialien auf die Leistung von SACs.

Professor Lee und seine Forscher schlugen mesoporöses Wolframsuboxid als neues Trägermaterial für atomar dispergiertes Pt vor, da davon erwartet wurde, dass es eine hohe elektronische Leitfähigkeit bietet und einen synergetischen Effekt mit Pt hat.

Sie verglichen die Leistung von Einzelatom-Pt auf Kohlenstoff- bzw. Wolframsuboxid-Träger. Die Ergebnisse zeigten, dass der Trägereffekt bei Wolframsuboxid auftrat, bei dem die Massenaktivität eines einatomigen Pt auf einem Träger aus Wolframsuboxid 2,1-mal größer war als die eines einatomigen Pt auf einem Kohlenstoffträger und 16,3-mal höher als die von Pt Nanopartikel, unterstützt durch Kohlenstoff.

Das Team wies auf eine Änderung der elektronischen Struktur von Pt durch Ladungsübertragung von Wolframsuboxid auf Pt hin. Dieses Phänomen wurde als Folge einer starken Metall-Träger-Wechselwirkung zwischen Pt und Wolframsuboxid beschrieben.

Die HER-Leistung kann nicht nur durch eine Änderung der elektronischen Struktur des unterstützten Metalls verbessert werden, sondern auch durch die Herbeiführung eines weiteren Unterstützungseffekts, des Spillover-Effekts, berichtete die Forschungsgruppe. Wasserstoff-Spillover ist ein Phänomen, bei dem adsorbierter Wasserstoff von einer Oberfläche zur anderen wandert, und es tritt leichter auf, je kleiner die Pt-Größe wird.

Die Forscher verglichen die Leistung von Einzelatom-Pt- und Pt-Nanopartikeln, die durch Wolframsuboxid unterstützt wurden. Das von Wolframsuboxid getragene Einzelatom Pt zeigte ein höheres Maß an Wasserstoff-Spillover-Phänomen, was die Pt-Massenaktivität für die Wasserstoffentwicklung im Vergleich zu von Wolframsuboxid getragenen Pt-Nanopartikeln um das bis zu 10,7-fache steigerte.

Professor Lee sagte: „Die Wahl des richtigen Trägermaterials ist wichtig für die Verbesserung der Elektrokatalyse bei der Wasserstoffproduktion. Der Wolframsuboxid-Katalysator, den wir in unserer Studie zur Unterstützung von Pt verwendet haben, deutet darauf hin, dass Wechselwirkungen zwischen dem gut aufeinander abgestimmten Metall und dem Träger die Effizienz des Prozesses drastisch steigern können.“