Naukowcy zaprezentowali nową strategię zwiększania aktywności katalitycznej przy użyciu podtlenku wolframu jako katalizatora jednoatomowego (SAC). Strategia ta, która znacząco poprawia reakcję wydzielania wodoru (HER) w metalicznej platynie (pt) o 16,3 razy, rzuca światło na rozwój nowych technologii katalizatorów elektrochemicznych.

Wodór jest reklamowany jako obiecująca alternatywa dla paliw kopalnych. Jednak większość konwencjonalnych metod przemysłowej produkcji wodoru wiąże się z problemami środowiskowymi, powodując uwalnianie znacznych ilości dwutlenku węgla i gazów cieplarnianych.

Za potencjalne podejście do produkcji czystego wodoru uważa się elektrochemiczne rozszczepianie wody. Pt jest jednym z najczęściej stosowanych katalizatorów poprawiających wydajność HER w elektrochemicznym rozszczepianiu wody, ale wysoki koszt i niedobór Pt pozostają kluczowymi przeszkodami w masowych zastosowaniach komercyjnych.

SAC, w których wszystkie rodzaje metali są indywidualnie rozproszone na pożądanym materiale nośnika, zostały zidentyfikowane jako jeden ze sposobów zmniejszenia zużycia Pt, ponieważ zapewniają maksymalną liczbę atomów Pt eksponowanych na powierzchni.

Zainspirowany wcześniejszymi badaniami, które skupiały się głównie na SAC wspieranych materiałami na bazie węgla, zespół badawczy KAIST kierowany przez profesora Jinwoo Lee z Wydziału Inżynierii Chemicznej i Biomolekularnej zbadał wpływ materiałów pomocniczych na działanie SAC.

Profesor Lee i jego badacze zaproponowali mezoporowaty podtlenek wolframu jako nowy materiał nośnika dla atomowo zdyspergowanego Pt, ponieważ oczekiwano, że zapewni on wysoką przewodność elektronową i będzie miał działanie synergistyczne z Pt.

Porównali działanie jednoatomowego Pt wspieranego odpowiednio przez podtlenek węgla i wolframu. Wyniki wykazały, że efekt wsparcia wystąpił w przypadku podtlenku wolframu, w którym aktywność masowa jednoatomowego Pt na podtlenku wolframu była 2,1 razy większa niż jednoatomowego Pt na węglu i 16,3 razy większa niż Pt nanocząstki wspierane węglem.

Zespół wskazał zmianę w strukturze elektronowej Pt poprzez przeniesienie ładunku z podtlenku wolframu do Pt. Zjawisko to odnotowano w wyniku silnego oddziaływania metalu na nośnik pomiędzy Pt i podtlenkiem wolframu.

Jak podała grupa badawcza, działanie HER można poprawić nie tylko poprzez zmianę struktury elektronowej nośnika metalowego, ale także poprzez wywołanie innego efektu wsparcia, efektu rozlania. Rozlewanie się wodoru to zjawisko, w którym zaadsorbowany wodór migruje z jednej powierzchni na drugą i zachodzi łatwiej, gdy wielkość Pt zmniejsza się.

Naukowcy porównali działanie jednoatomowych nanocząstek Pt i Pt wzmocnionych podtlenkiem wolframu. Jednoatomowy Pt na bazie podtlenku wolframu wykazywał wyższy stopień zjawiska rozlania wodoru, co zwiększyło aktywność masową Pt w procesie wydzielania wodoru aż do 10,7 razy w porównaniu z nanocząsteczkami Pt na bazie podtlenku wolframu.

Profesor Lee powiedział: „Wybór odpowiedniego materiału nośnego jest ważny dla ulepszenia elektrokatalizy w produkcji wodoru. Katalizator podtlenkowy wolframu, którego użyliśmy do wsparcia Pt w naszym badaniu, oznacza, że ​​interakcje między dobrze dobranym metalem i nośnikiem mogą drastycznie zwiększyć wydajność procesu.