Исследователи представили новую стратегию повышения каталитической активности с использованием субоксида вольфрама в качестве одноатомного катализатора (SAC). Эта стратегия, которая значительно улучшает реакцию выделения водорода (HER) в металлической платине (pt) в 16,3 раза, проливает свет на разработку новых технологий электрохимических катализаторов.

Водород рекламируется как многообещающая альтернатива ископаемому топливу. Однако большинство традиционных промышленных методов производства водорода сопряжены с экологическими проблемами, поскольку выделяют значительное количество углекислого газа и парниковых газов.

Электрохимическое расщепление воды считается потенциальным подходом к производству чистого водорода. Платина является одним из наиболее часто используемых катализаторов для улучшения характеристик HER при электрохимическом расщеплении воды, но высокая стоимость и нехватка Pt остаются ключевыми препятствиями для массового коммерческого применения.

SAC, в которых все виды металлов индивидуально диспергированы на желаемом материале носителя, были идентифицированы как один из способов уменьшить количество использования Pt, поскольку они предлагают максимальное количество атомов Pt, находящихся на поверхности.

Вдохновленная более ранними исследованиями, которые в основном были сосредоточены на SAC, поддерживаемых углеродными материалами, исследовательская группа KAIST под руководством профессора Джин Ву Ли из Департамента химической и биомолекулярной инженерии исследовала влияние материалов поддержки на производительность SAC.

Профессор Ли и его исследователи предложили мезопористый субоксид вольфрама в качестве нового материала-носителя для атомно-дисперсной платины, поскольку ожидалось, что он обеспечит высокую электронную проводимость и будет иметь синергетический эффект с платиной.

Они сравнили характеристики одноатомной Pt, поддержанной углеродом и субоксидом вольфрама соответственно. Результаты показали, что эффект поддержки возникал при использовании субоксида вольфрама, в котором массовая активность одноатомной Pt, поддержанной субоксидом вольфрама, была в 2,1 раза выше, чем у одноатомной Pt, поддержанной углеродом, и в 16,3 раза выше, чем у Pt. наночастицы, поддерживаемые углеродом.

Команда указала на изменение электронной структуры Pt посредством переноса заряда от субоксида вольфрама к Pt. Об этом явлении сообщалось в результате сильного взаимодействия металл-носитель между Pt и субоксидом вольфрама.

Исследовательская группа сообщила, что производительность HER можно улучшить не только за счет изменения электронной структуры нанесенного металла, но и за счет создания другого эффекта поддержки — эффекта перелива. Перелив водорода — это явление, при котором адсорбированный водород мигрирует с одной поверхности на другую, и это происходит тем легче, чем меньше размер Pt.

Исследователи сравнили характеристики одноатомных Pt и наночастиц Pt, поддерживаемых субоксидом вольфрама. Одноатомная Pt, нанесенная субоксидом вольфрама, продемонстрировала более высокую степень явления перелива водорода, что увеличило активность массы Pt для выделения водорода до 10,7 раз по сравнению с наночастицами Pt, нанесенными субоксидом вольфрама.

Профессор Ли сказал: «Выбор правильного материала подложки важен для улучшения электрокатализа при производстве водорода. Катализатор на основе субоксида вольфрама, который мы использовали для поддержки Pt в нашем исследовании, предполагает, что взаимодействие между хорошо подобранным металлом и носителем может значительно повысить эффективность процесса».