I ricercatori hanno presentato una nuova strategia per potenziare l'attività catalitica utilizzando il subossido di tungsteno come catalizzatore a singolo atomo (SAC). Questa strategia, che migliora significativamente di 16,3 volte la reazione di evoluzione dell'idrogeno (HER) nel platino metallico (pt), getta luce sullo sviluppo di nuove tecnologie di catalizzatori elettrochimici.

L’idrogeno è stato pubblicizzato come una promettente alternativa ai combustibili fossili. Tuttavia, la maggior parte dei metodi convenzionali di produzione industriale dell’idrogeno comportano problemi ambientali, rilasciando quantità significative di anidride carbonica e gas serra.

La scissione elettrochimica dell’acqua è considerata un potenziale approccio per la produzione di idrogeno pulito. Il platino è uno dei catalizzatori più comunemente utilizzati per migliorare le prestazioni dell'HER nella scissione elettrochimica dell'acqua, ma il costo elevato e la scarsità del platino rimangono ostacoli chiave per le applicazioni commerciali di massa.

I SAC, in cui tutte le specie metalliche sono disperse individualmente su un materiale di supporto desiderato, sono stati identificati come un modo per ridurre la quantità di utilizzo di Pt, poiché offrono il numero massimo di atomi di Pt esposti sulla superficie.

Ispirato da studi precedenti, incentrati principalmente sulle SAC supportate da materiali a base di carbonio, un gruppo di ricerca KAIST guidato dal professor Jinwoo Lee del Dipartimento di ingegneria chimica e biomolecolare ha studiato l’influenza dei materiali di supporto sulle prestazioni delle SAC.

Il professor Lee e i suoi ricercatori hanno suggerito il subossido di tungsteno mesoporoso come nuovo materiale di supporto per il Pt disperso atomicamente, poiché ci si aspettava che fornisse un'elevata conduttività elettronica e avesse un effetto sinergico con il Pt.

Hanno confrontato le prestazioni del Pt a singolo atomo supportato rispettivamente da carbonio e subossido di tungsteno. I risultati hanno rivelato che l'effetto di supporto si è verificato con il subossido di tungsteno, in cui l'attività di massa di un singolo atomo di Pt supportato dal subossido di tungsteno era 2,1 volte maggiore di quella del singolo atomo di Pt supportato dal carbonio e 16,3 volte superiore a quella del Pt nanoparticelle supportate da carbonio.

Il team ha indicato un cambiamento nella struttura elettronica del Pt tramite il trasferimento di carica dal subossido di tungsteno al Pt. Questo fenomeno è stato segnalato come risultato della forte interazione metallo-supporto tra Pt e subossido di tungsteno.

Le prestazioni di HER possono essere migliorate non solo modificando la struttura elettronica del metallo supportato, ma anche inducendo un altro effetto di supporto, l'effetto spillover, ha riferito il gruppo di ricerca. Lo spillover dell’idrogeno è un fenomeno in cui l’idrogeno adsorbito migra da una superficie all’altra e si verifica più facilmente quando la dimensione del Pt diminuisce.

I ricercatori hanno confrontato le prestazioni delle nanoparticelle di Pt a singolo atomo e di quelle supportate dal subossido di tungsteno. Il Pt a singolo atomo supportato dal subossido di tungsteno ha mostrato un grado più elevato di fenomeno di spillover dell’idrogeno, che ha migliorato l’attività della massa di Pt per l’evoluzione dell’idrogeno fino a 10,7 volte rispetto alle nanoparticelle di Pt supportate dal subossido di tungsteno.

Il professor Lee ha affermato: “La scelta del giusto materiale di supporto è importante per migliorare l’elettrocatalisi nella produzione di idrogeno. Il catalizzatore di subossido di tungsteno che abbiamo utilizzato per supportare Pt nel nostro studio implica che le interazioni tra il metallo ben abbinato e il supporto possono migliorare drasticamente l’efficienza del processo”.