Výskumníci predstavili novú stratégiu na zvýšenie katalytickej aktivity pomocou suboxidu volfrámu ako katalyzátora s jedným atómom (SAC). Táto stratégia, ktorá výrazne zlepšuje reakciu vývoja vodíka (HER) v kovovej platine (pt) 16,3-krát, vrhá svetlo na vývoj nových technológií elektrochemických katalyzátorov.

Vodík bol propagovaný ako sľubná alternatíva k fosílnym palivám. Väčšina konvenčných priemyselných metód výroby vodíka však prichádza s environmentálnymi problémami, pri ktorých sa uvoľňuje značné množstvo oxidu uhličitého a skleníkových plynov.

Elektrochemické štiepenie vody sa považuje za potenciálny prístup k výrobe čistého vodíka. Pt je jedným z najčastejšie používaných katalyzátorov na zlepšenie výkonu HER pri elektrochemickom štiepení vody, ale vysoká cena a nedostatok Pt zostávajú kľúčovými prekážkami pre masové komerčné aplikácie.

SAC, kde sú všetky druhy kovov jednotlivo dispergované na požadovanom nosnom materiáli, boli identifikované ako jeden spôsob, ako znížiť množstvo použitia Pt, pretože ponúkajú maximálny počet povrchovo exponovaných atómov Pt.

Inšpirovaný skoršími štúdiami, ktoré sa zameriavali hlavne na SAC podporované materiálmi na báze uhlíka, výskumný tím KAIST vedený profesorom Jinwoo Lee z Katedry chemického a biomolekulového inžinierstva skúmal vplyv podporných materiálov na výkon SAC.

Profesor Lee a jeho výskumníci navrhli mezoporézny suboxid volfrámu ako nový nosný materiál pre atómovo rozptýlenú Pt, pretože sa očakávalo, že poskytne vysokú elektrónovú vodivosť a bude mať synergický efekt s Pt.

Porovnali výkonnosť jednoatómového Pt podporovaného uhlíkom a suboxidom volfrámu. Výsledky ukázali, že podporný efekt nastal pri suboxide volfrámu, v ktorom hmotnostná aktivita jednoatómového Pt podporovaného suboxidom volfrámu bola 2,1-krát väčšia ako aktivita jednoatómového Pt podporovaného uhlíkom a 16,3-krát vyššia ako aktivita Pt. nanočastice podporované uhlíkom.

Tím naznačil zmenu v elektronickej štruktúre Pt prostredníctvom prenosu náboja zo suboxidu volfrámu na Pt. Tento jav bol zaznamenaný ako výsledok silnej interakcie kov-nosič medzi Pt a suboxidom volfrámu.

Výkon HER možno zlepšiť nielen zmenou elektronickej štruktúry podporovaného kovu, ale aj vyvolaním ďalšieho podporného efektu, efektu prelievania, uviedla výskumná skupina. Prelievanie vodíka je jav, pri ktorom adsorbovaný vodík migruje z jedného povrchu na druhý a vyskytuje sa ľahšie, keď sa veľkosť Pt zmenšuje.

Výskumníci porovnávali výkonnosť jednoatómových nanočastíc Pt a Pt podporovaných suboxidom volfrámu. Jednoatómový Pt podporovaný suboxidom volfrámu vykazoval vyšší stupeň fenoménu prelievania vodíka, čo zvýšilo hmotnostnú aktivitu Pt na vývoj vodíka až 10,7-krát v porovnaní s nanočasticami Pt podporovanými suboxidom volfrámu.

Profesor Lee povedal: „Výber správneho podporného materiálu je dôležitý pre zlepšenie elektrokatalýzy pri výrobe vodíka. Katalyzátor suboxidu volfrámu, ktorý sme použili na podporu Pt v našej štúdii, naznačuje, že interakcie medzi dobre prispôsobeným kovom a nosičom môžu výrazne zvýšiť účinnosť procesu.