Onderzoekers presenteerden een nieuwe strategie voor het verbeteren van de katalytische activiteit met behulp van wolfraamsuboxide als een katalysator met één atoom (SAC). Deze strategie, die de waterstofevolutiereactie (HER) in metaalplatina (pt) 16,3 keer aanzienlijk verbetert, werpt licht op de ontwikkeling van nieuwe elektrochemische katalysatortechnologieën.

Waterstof wordt aangeprezen als een veelbelovend alternatief voor fossiele brandstoffen. De meeste conventionele industriële waterstofproductiemethoden brengen echter milieuproblemen met zich mee, waarbij aanzienlijke hoeveelheden kooldioxide en broeikasgassen vrijkomen.

Elektrochemische watersplitsing wordt beschouwd als een mogelijke aanpak voor de productie van schone waterstof. Pt is een van de meest gebruikte katalysatoren om de HER-prestaties bij de elektrochemische watersplitsing te verbeteren, maar de hoge kosten en schaarste van Pt blijven belangrijke obstakels voor massale commerciële toepassingen.

SAC's, waarbij alle metaalsoorten individueel op een gewenst dragermateriaal zijn verspreid, zijn geïdentificeerd als een manier om de hoeveelheid Pt-gebruik te verminderen, omdat ze het maximale aantal aan het oppervlak blootgestelde Pt-atomen bieden.

Geïnspireerd door eerdere onderzoeken, die zich voornamelijk richtten op SAC's ondersteund door op koolstof gebaseerde materialen, onderzocht een KAIST-onderzoeksteam onder leiding van professor Jinwoo Lee van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Technologie de invloed van ondersteunende materialen op de prestaties van SAC's.

Professor Lee en zijn onderzoekers suggereerden mesoporeus wolfraamsuboxide als nieuw dragermateriaal voor atomair verspreide Pt, omdat verwacht werd dat dit een hoge elektronische geleidbaarheid zou opleveren en een synergetisch effect zou hebben met Pt.

Ze vergeleken de prestaties van Pt met één atoom ondersteund door respectievelijk koolstof en wolfraamsuboxide. Uit de resultaten bleek dat het ondersteuningseffect optrad met wolfraamsuboxide, waarbij de massaactiviteit van Pt met één atoom ondersteund door wolfraamsuboxide 2,1 keer groter was dan die van Pt met één atoom ondersteund door koolstof, en 16,3 keer hoger dan die van Pt. nanodeeltjes ondersteund door koolstof.

Het team gaf een verandering aan in de elektronische structuur van Pt via ladingsoverdracht van wolfraamsuboxide naar Pt. Dit fenomeen werd gerapporteerd als gevolg van de sterke metaal-ondersteuningsinteractie tussen Pt en wolfraamsuboxide.

HER-prestaties kunnen niet alleen worden verbeterd door de elektronische structuur van het ondersteunde metaal te veranderen, maar ook door een ander ondersteunend effect teweeg te brengen, het overloopeffect, rapporteerde de onderzoeksgroep. Waterstofspillover is een fenomeen waarbij geadsorbeerde waterstof van het ene oppervlak naar het andere migreert, en treedt gemakkelijker op naarmate de Pt-grootte kleiner wordt.

De onderzoekers vergeleken de prestaties van Pt- en Pt-nanodeeltjes met één atoom ondersteund door wolfraamsuboxide. Het door wolfraamsuboxide ondersteunde Pt met één atoom vertoonde een hogere mate van waterstofspillover-fenomeen, waardoor de Pt-massaactiviteit voor waterstofontwikkeling tot 10,7 keer toenam in vergelijking met Pt-nanodeeltjes ondersteund door wolfraamsuboxide.

Professor Lee zei: “Het kiezen van het juiste ondersteuningsmateriaal is belangrijk voor het verbeteren van de elektrokatalyse bij de waterstofproductie. De wolfraamsuboxide-katalysator die we in ons onderzoek hebben gebruikt om Pt te ondersteunen, impliceert dat interacties tussen het goed op elkaar afgestemde metaal en de drager de efficiëntie van het proces drastisch kunnen verbeteren.