Forskare presenterade en ny strategi för att förbättra katalytisk aktivitet med hjälp av volframsuboxid som en enatomskatalysator (SAC). Denna strategi, som avsevärt förbättrar väteutvecklingsreaktionen (HER) i metallplatina (pt) med 16,3 gånger, belyser utvecklingen av nya elektrokemiska katalysatorteknologier.

Vätgas har utpekats som ett lovande alternativ till fossila bränslen. Men de flesta av de konventionella industriella metoderna för väteproduktion kommer med miljöproblem, vilket släpper ut betydande mängder koldioxid och växthusgaser.

Elektrokemisk vattenklyvning anses vara ett potentiellt tillvägagångssätt för produktion av rent väte. Pt är en av de mest använda katalysatorerna för att förbättra HER-prestanda vid elektrokemisk vattenklyvning, men den höga kostnaden och bristen på Pt förblir viktiga hinder för kommersiella masstillämpningar.

SAC, där alla metallarter är individuellt dispergerade på ett önskat stödmaterial, har identifierats som ett sätt att minska mängden Pt-användning, eftersom de erbjuder det maximala antalet ytexponerade Pt-atomer.

Inspirerad av tidigare studier, som huvudsakligen fokuserade på SAC som stöds av kolbaserade material, undersökte en KAIST-forskargrupp ledd av professor Jinwoo Lee från Institutionen för kemi- och biomolekylär teknik påverkan av stödmaterial på prestanda hos SAC.

Professor Lee och hans forskare föreslog mesoporös volframsuboxid som ett nytt stödmaterial för atomärt dispergerat Pt, eftersom detta förväntades ge hög elektronisk ledningsförmåga och ha en synergisk effekt med Pt.

De jämförde prestandan hos enatomig Pt som stöds av kol respektive volframsuboxid. Resultaten avslöjade att stödeffekten inträffade med volframsuboxid, där massaktiviteten för en enatomig Pt uppburen av volframsuboxid var 2,1 gånger större än den för enatomig Pt uppburen av kol, och 16,3 gånger högre än den för Pt nanopartiklar som stöds av kol.

Teamet indikerade en förändring i den elektroniska strukturen av Pt via laddningsöverföring från volframsuboxid till Pt. Detta fenomen rapporterades som ett resultat av stark metall-stödinteraktion mellan Pt och volframsuboxid.

HER-prestanda kan förbättras inte bara genom att ändra den elektroniska strukturen hos den understödda metallen, utan också genom att inducera en annan stödeffekt, spridningseffekten, rapporterade forskargruppen. Vätgasspill är ett fenomen där adsorberat väte migrerar från en yta till en annan, och det uppstår lättare när Pt-storleken blir mindre.

Forskarna jämförde prestandan hos enatomiga Pt- och Pt-nanopartiklar som stöds av volframsuboxid. Den enatomiga Pt som stöds av volframsuboxid uppvisade en högre grad av vätespillover-fenomen, vilket förbättrade Pt-massaktiviteten för väteutveckling upp till 10,7 gånger jämfört med Pt-nanopartiklar som stöddes av volframsuboxid.

Professor Lee sa: "Att välja rätt stödmaterial är viktigt för att förbättra elektrokatalys vid väteproduktion. Volframsuboxidkatalysatorn vi använde för att stödja Pt i vår studie antyder att interaktioner mellan den välmatchade metallen och stödet drastiskt kan förbättra processens effektivitet."