Forskere presenterte en ny strategi for å øke katalytisk aktivitet ved å bruke wolframsuboksid som en enkeltatomkatalysator (SAC). Denne strategien, som betydelig forbedrer hydrogenutviklingsreaksjonen (HER) i metallplatina (pt) med 16,3 ganger, kaster lys over utviklingen av nye elektrokjemiske katalysatorteknologier.

Hydrogen har blitt utpekt som et lovende alternativ til fossilt brensel. Imidlertid kommer de fleste konvensjonelle industrielle hydrogenproduksjonsmetodene med miljøproblemer, og frigjør betydelige mengder karbondioksid og klimagasser.

Elektrokjemisk vannspalting anses som en potensiell tilnærming for ren hydrogenproduksjon. Pt er en av de mest brukte katalysatorene for å forbedre HER-ytelsen i elektrokjemisk vannsplitting, men de høye kostnadene og mangelen på Pt er fortsatt viktige hindringer for kommersielle masseapplikasjoner.

SAC-er, der alle metallarter er individuelt spredt på et ønsket bæremateriale, har blitt identifisert som en måte å redusere mengden Pt-bruk på, da de tilbyr maksimalt antall overflateeksponerte Pt-atomer.

Inspirert av tidligere studier, som hovedsakelig fokuserte på SAC-er støttet av karbonbaserte materialer, undersøkte et KAIST-forskerteam ledet av professor Jinwoo Lee fra Institutt for kjemisk og biomolekylær ingeniørvitenskap påvirkningen av støttematerialer på ytelsen til SAC-er.

Professor Lee og hans forskere foreslo mesoporøst wolframsuboksid som et nytt støttemateriale for atomisk dispergert Pt, da dette var forventet å gi høy elektronisk ledningsevne og ha en synergetisk effekt med Pt.

De sammenlignet ytelsen til enkeltatom-Pt støttet av henholdsvis karbon og wolframsuboksid. Resultatene avslørte at støtteeffekten skjedde med wolframsuboksid, der masseaktiviteten til et enkeltatom Pt støttet av wolframsuboksid var 2,1 ganger større enn for enkeltatom Pt støttet av karbon, og 16,3 ganger høyere enn Pt. nanopartikler støttet av karbon.

Teamet indikerte en endring i den elektroniske strukturen til Pt via ladningsoverføring fra wolframsuboksid til Pt. Dette fenomenet ble rapportert som et resultat av sterk metallstøtteinteraksjon mellom Pt og wolframsuboksid.

HER-ytelsen kan forbedres ikke bare ved å endre den elektroniske strukturen til det støttede metallet, men også ved å indusere en annen støtteeffekt, spillover-effekten, rapporterte forskergruppen. Hydrogenspillover er et fenomen der adsorbert hydrogen migrerer fra en overflate til en annen, og det oppstår lettere når Pt-størrelsen blir mindre.

Forskerne sammenlignet ytelsen til enkeltatomede Pt- og Pt-nanopartikler støttet av wolframsuboksid. Enkeltatom-Pt støttet av wolframsuboksid viste en høyere grad av hydrogenspillover-fenomen, noe som forbedret Pt-masseaktiviteten for hydrogenutvikling opptil 10,7 ganger sammenlignet med Pt-nanopartikler støttet av wolframsuboksid.

Professor Lee sa: "Å velge riktig støttemateriale er viktig for å forbedre elektrokatalyse i hydrogenproduksjon. Wolfram-suboksid-katalysatoren vi brukte for å støtte Pt i studien vår, antyder at interaksjoner mellom det godt matchende metallet og støtten drastisk kan øke effektiviteten til prosessen."