นักวิจัยนำเสนอกลยุทธ์ใหม่ในการเพิ่มกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาโดยใช้ทังสเตนซับออกไซด์เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาอะตอมเดี่ยว (SAC) กลยุทธ์นี้ ซึ่งปรับปรุงปฏิกิริยาวิวัฒนาการของไฮโดรเจน (HER) ในโลหะแพลตตินัม (pt) ได้อย่างมีนัยสำคัญถึง 16.3 เท่า ช่วยให้กระจ่างเกี่ยวกับการพัฒนาเทคโนโลยีตัวเร่งปฏิกิริยาเคมีไฟฟ้าใหม่

ไฮโดรเจนได้รับการขนานนามว่าเป็นทางเลือกที่น่าสนใจแทนเชื้อเพลิงฟอสซิล อย่างไรก็ตาม วิธีการผลิตไฮโดรเจนทางอุตสาหกรรมแบบเดิมๆ ส่วนใหญ่มีปัญหาด้านสิ่งแวดล้อม โดยปล่อยก๊าซคาร์บอนไดออกไซด์และก๊าซเรือนกระจกในปริมาณมาก

การแยกน้ำด้วยเคมีไฟฟ้าถือเป็นแนวทางที่มีศักยภาพในการผลิตไฮโดรเจนที่สะอาด Pt เป็นหนึ่งในตัวเร่งปฏิกิริยาที่ใช้บ่อยที่สุดเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพของ HER ในการแยกน้ำด้วยไฟฟ้าเคมี แต่ต้นทุนที่สูงและความขาดแคลนของ Pt ยังคงเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการใช้งานเชิงพาณิชย์ในวงกว้าง

SACs ซึ่งโลหะทุกชนิดถูกกระจายแยกกันบนวัสดุรองรับที่ต้องการ ได้รับการระบุว่าเป็นวิธีหนึ่งในการลดปริมาณการใช้ Pt เนื่องจากพวกมันให้อะตอม Pt ที่สัมผัสกับพื้นผิวจำนวนสูงสุด

ทีมวิจัยของ KAIST ซึ่งนำโดยศาสตราจารย์ Jinwoo Lee จากภาควิชาวิศวกรรมเคมีและชีวโมเลกุลได้รับแรงบันดาลใจจากการศึกษาก่อนหน้านี้ ซึ่งมุ่งเน้นไปที่ SACs ที่ได้รับการสนับสนุนจากวัสดุที่มีคาร์บอนเป็นหลัก ได้ตรวจสอบอิทธิพลของวัสดุสนับสนุนต่อประสิทธิภาพของ SACs

ศาสตราจารย์ลีและนักวิจัยของเขาแนะนำว่าทังสเตนซับออกไซด์มีโซพอรัสเป็นวัสดุสนับสนุนชนิดใหม่สำหรับพอยต์ที่กระจายตัวเป็นอะตอม เนื่องจากคาดว่าจะมีค่าการนำไฟฟ้าทางอิเล็กทรอนิกส์สูง และมีผลเสริมฤทธิ์กันกับพอยต์

พวกเขาเปรียบเทียบประสิทธิภาพของพอยต์อะตอมเดี่ยวที่ได้รับการสนับสนุนจากคาร์บอนและทังสเตนซับออกไซด์ตามลำดับ ผลการวิจัยพบว่าผลการสนับสนุนเกิดขึ้นกับทังสเตนซับออกไซด์ ซึ่งกิจกรรมมวลของ Pt อะตอมเดี่ยวที่รองรับโดยทังสเตนซับออกไซด์นั้นมากกว่ากิจกรรมของ Pt อะตอมเดี่ยวที่รองรับโดยคาร์บอน 2.1 เท่า และสูงกว่าของ Pt 16.3 เท่า อนุภาคนาโนที่ได้รับการสนับสนุนจากคาร์บอน

ทีมงานระบุถึงการเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของ Pt ด้วยการถ่ายโอนประจุจากทังสเตนซับออกไซด์ไปเป็น Pt ปรากฏการณ์นี้ได้รับการรายงานอันเป็นผลมาจากปฏิสัมพันธ์ที่รองรับโลหะอย่างรุนแรงระหว่าง Pt และทังสเตนซับออกไซด์

ประสิทธิภาพของ HER สามารถปรับปรุงได้ไม่เพียงแต่โดยการเปลี่ยนโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของโลหะที่รองรับเท่านั้น แต่ยังกระตุ้นให้เกิดการรองรับอื่น ๆ อีกด้วย กลุ่มวิจัยรายงาน การหกล้นของไฮโดรเจนเป็นปรากฏการณ์ที่ไฮโดรเจนที่ถูกดูดซับจะย้ายจากพื้นผิวหนึ่งไปอีกพื้นผิวหนึ่ง และเกิดขึ้นได้ง่ายกว่าเมื่อขนาดของพอยต์มีขนาดเล็กลง

นักวิจัยได้เปรียบเทียบประสิทธิภาพของอนุภาคนาโน Pt และ Pt อะตอมเดี่ยวที่ได้รับการสนับสนุนจากทังสเตนซับออกไซด์ พอยต์อะตอมเดี่ยวที่รองรับโดยทังสเตนซับออกไซด์แสดงระดับปรากฏการณ์การรั่วไหลของไฮโดรเจนที่สูงขึ้น ซึ่งทำให้กิจกรรมมวลพอยต์สำหรับการวิวัฒนาการของไฮโดรเจนเพิ่มขึ้นถึง 10.7 เท่า เมื่อเปรียบเทียบกับอนุภาคนาโนพอยต์ที่รองรับโดยทังสเตนซับออกไซด์

ศาสตราจารย์ลีกล่าวว่า "การเลือกวัสดุรองรับที่เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญในการปรับปรุงปฏิกิริยาทางไฟฟ้าในการผลิตไฮโดรเจน ตัวเร่งปฏิกิริยาทังสเตนซับออกไซด์ที่เราใช้เพื่อสนับสนุน Pt ในการศึกษาของเราบ่งบอกเป็นนัยว่าปฏิสัมพันธ์ระหว่างโลหะที่เข้ากันได้ดีกับการสนับสนุนสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของกระบวนการได้อย่างมาก”