연구원들은 텅스텐 아산화물을 단일 원자 촉매(SAC)로 사용하여 촉매 활성을 향상시키는 새로운 전략을 제시했습니다. 금속 백금(pt)의 수소 발생 반응(HER)을 16.3배로 대폭 향상시키는 이 전략은 새로운 전기화학적 촉매 기술 개발에 빛을 비춰준다.

수소는 화석 연료의 유망한 대안으로 선전되어 왔습니다. 그러나 기존 산업용 수소 생산 방식은 대부분 환경 문제를 안고 있으며, 상당한 양의 이산화탄소와 온실가스를 배출하고 있습니다.

전기화학적 물 분해는 깨끗한 수소 생산을 위한 잠재적인 접근 방식으로 간주됩니다. Pt는 전기화학적 물 분해에서 HER 성능을 향상시키기 위해 가장 일반적으로 사용되는 촉매 중 하나이지만 Pt의 높은 비용과 희소성은 대량 상업적 응용에 주요 장애물로 남아 있습니다.

모든 금속 종이 원하는 지지체 재료 위에 개별적으로 분산되어 있는 SAC는 표면에 노출된 Pt 원자의 최대 개수를 제공하므로 Pt 사용량을 줄이는 한 가지 방법으로 확인되었습니다.

탄소 기반 물질로 지지되는 SAC에 주로 초점을 맞춘 이전 연구에서 영감을 받아 KAIST 화학 및 생체분자공학과 이진우 교수가 이끄는 연구팀은 지지 물질이 SAC의 성능에 미치는 영향을 조사했습니다.

이 교수팀은 원자적으로 분산된 Pt를 위한 새로운 지지체 물질로 메조다공성 텅스텐 아산화물을 제안했는데, 이는 높은 전자 전도도를 제공하고 Pt와 시너지 효과를 낼 것으로 기대되기 때문이다.

그들은 각각 탄소와 텅스텐 아산화물에 의해 지지되는 단일 원자 Pt의 성능을 비교했습니다. 결과는 텅스텐 아산화물에 의해 지지 효과가 나타나는 것으로 나타났으며, 텅스텐 아산화물에 의해 지지된 단일 원자 Pt의 질량 활성은 탄소에 의해 지지된 단일 원자 Pt의 질량 활성보다 2.1배 더 크고, Pt에 비해 16.3배 더 높았습니다. 탄소로 지지되는 나노입자.

연구팀은 텅스텐 아산화물에서 Pt로의 전하 이동을 통해 Pt의 전자 구조에 변화가 있음을 나타냈습니다. 이 현상은 Pt와 텅스텐 아산화물 사이의 강한 금속-지지체 상호작용의 결과로 보고되었습니다.

HER 성능은 지지되는 금속의 전자 구조를 변경하는 것뿐만 아니라 또 다른 지지 효과인 스필오버 효과를 유도함으로써 향상될 수 있다고 연구진은 보고했습니다. 수소 유출은 흡착된 수소가 한 표면에서 다른 표면으로 이동하는 현상으로, Pt 크기가 작아질수록 더 쉽게 발생합니다.

연구진은 텅스텐 아산화물로 지지되는 단일 원자 Pt와 Pt 나노입자의 성능을 비교했습니다. 아산화물 텅스텐에 의해 지지된 단일 원자 Pt는 더 높은 수준의 수소 유출 현상을 나타냈으며, 이는 아산화물 텅스텐에 의해 지지된 Pt 나노입자에 비해 수소 방출을 위한 Pt 질량 활성을 최대 10.7배 향상시켰습니다.

이 교수는 “수소 생산에서 전기촉매 성능을 향상시키기 위해서는 올바른 지지물질을 선택하는 것이 중요하다”고 말했다. 우리 연구에서 Pt를 지지하는 데 사용한 텅스텐 아산화물 촉매는 잘 일치하는 금속과 지지체 사이의 상호 작용이 공정의 효율성을 대폭 향상시킬 수 있음을 의미합니다.”