Οι ερευνητές παρουσίασαν μια νέα στρατηγική για την ενίσχυση της καταλυτικής δραστηριότητας χρησιμοποιώντας υποξείδιο του βολφραμίου ως καταλύτη ενός ατόμου (SAC). Αυτή η στρατηγική, η οποία βελτιώνει σημαντικά την αντίδραση εξέλιξης υδρογόνου (HER) σε μέταλλο πλατίνα (pt) κατά 16,3 φορές, ρίχνει φως στην ανάπτυξη νέων τεχνολογιών ηλεκτροχημικών καταλυτών.

Το υδρογόνο έχει προβληθεί ως μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στα ορυκτά καύσιμα. Ωστόσο, οι περισσότερες από τις συμβατικές βιομηχανικές μεθόδους παραγωγής υδρογόνου συνοδεύονται από περιβαλλοντικά ζητήματα, απελευθερώνοντας σημαντικές ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα και αερίων του θερμοκηπίου.

Η ηλεκτροχημική διάσπαση νερού θεωρείται πιθανή προσέγγιση για την παραγωγή καθαρού υδρογόνου. Το Pt είναι ένας από τους πιο συχνά χρησιμοποιούμενους καταλύτες για τη βελτίωση της απόδοσης HER στην ηλεκτροχημική διάσπαση νερού, αλλά το υψηλό κόστος και η σπανιότητα του Pt παραμένουν βασικά εμπόδια για μαζικές εμπορικές εφαρμογές.

Τα SAC, όπου όλα τα είδη μετάλλων διασκορπίζονται μεμονωμένα σε ένα επιθυμητό υλικό υποστήριξης, έχουν αναγνωριστεί ως ένας τρόπος μείωσης της ποσότητας χρήσης Pt, καθώς προσφέρουν τον μέγιστο αριθμό ατόμων Pt που εκτίθενται στην επιφάνεια.

Εμπνευσμένη από προηγούμενες μελέτες, οι οποίες επικεντρώθηκαν κυρίως σε SAC που υποστηρίζονταν από υλικά με βάση τον άνθρακα, μια ερευνητική ομάδα KAIST με επικεφαλής τον καθηγητή Jinwoo Lee από το Τμήμα Χημικής και Βιομοριακής Μηχανικής διερεύνησε την επίδραση των υλικών υποστήριξης στην απόδοση των SAC.

Ο καθηγητής Lee και οι ερευνητές του πρότειναν το μεσοπορώδες υποξείδιο του βολφραμίου ως νέο υλικό υποστήριξης για ατομικά διασπαρμένο Pt, καθώς αυτό αναμενόταν να παρέχει υψηλή ηλεκτρονική αγωγιμότητα και να έχει συνεργική επίδραση με το Pt.

Συνέκριναν την απόδοση του Pt ενός ατόμου που υποστηρίζεται από άνθρακα και υποξείδιο του βολφραμίου αντίστοιχα. Τα αποτελέσματα αποκάλυψαν ότι το φαινόμενο υποστήριξης εμφανίστηκε με το υποξείδιο του βολφραμίου, στο οποίο η δραστηριότητα μάζας ενός Pt ενός ατόμου που υποστηρίζεται από υποξείδιο του βολφραμίου ήταν 2,1 φορές μεγαλύτερη από εκείνη του Pt ενός ατόμου που υποστηρίζεται από άνθρακα και 16,3 φορές υψηλότερη από εκείνη του Pt νανοσωματίδια που υποστηρίζονται από άνθρακα.

Η ομάδα έδειξε μια αλλαγή στην ηλεκτρονική δομή του Pt μέσω μεταφοράς φορτίου από το υποξείδιο του βολφραμίου σε Pt. Αυτό το φαινόμενο αναφέρθηκε ως αποτέλεσμα της ισχυρής αλληλεπίδρασης μετάλλου-υποστήριξης μεταξύ Pt και υποξειδίου του βολφραμίου.

Η απόδοση της HER μπορεί να βελτιωθεί όχι μόνο με την αλλαγή της ηλεκτρονικής δομής του υποστηριζόμενου μετάλλου, αλλά και με την πρόκληση ενός άλλου φαινομένου υποστήριξης, του spillover effect, ανέφερε η ερευνητική ομάδα. Η διαρροή υδρογόνου είναι ένα φαινόμενο όπου το προσροφημένο υδρογόνο μεταναστεύει από τη μια επιφάνεια στην άλλη και συμβαίνει πιο εύκολα καθώς το μέγεθος του Pt γίνεται μικρότερο.

Οι ερευνητές συνέκριναν την απόδοση των νανοσωματιδίων Pt και Pt ενός ατόμου που υποστηρίζονται από υποξείδιο του βολφραμίου. Ο Pt ενός ατόμου που υποστηρίζεται από υποξείδιο του βολφραμίου εμφάνισε υψηλότερο βαθμό φαινομένου διάχυσης υδρογόνου, το οποίο ενίσχυσε τη δραστηριότητα μάζας Pt για την έκλυση υδρογόνου έως και 10,7 φορές σε σύγκριση με τα νανοσωματίδια Pt που υποστηρίζονται από υποξείδιο του βολφραμίου.

Ο καθηγητής Lee είπε: «Η επιλογή του σωστού υλικού υποστήριξης είναι σημαντική για τη βελτίωση της ηλεκτροκατάλυσης στην παραγωγή υδρογόνου. Ο καταλύτης υποξειδίου του βολφραμίου που χρησιμοποιήσαμε για να υποστηρίξουμε το Pt στη μελέτη μας υποδηλώνει ότι οι αλληλεπιδράσεις μεταξύ του καλά ταιριαστού μετάλλου και της υποστήριξης μπορούν να βελτιώσουν δραστικά την αποτελεσματικότητα της διαδικασίας.»