Các nhà nghiên cứu đã trình bày một chiến lược mới để tăng cường hoạt động xúc tác bằng cách sử dụng vonfram suboxide làm chất xúc tác nguyên tử đơn (SAC). Chiến lược này giúp cải thiện đáng kể phản ứng tiến hóa hydro (HER) trong bạch kim kim loại (pt) lên 16,3 lần, làm sáng tỏ sự phát triển của các công nghệ xúc tác điện hóa mới.

Hydro đã được quảng cáo là một giải pháp thay thế đầy hứa hẹn cho nhiên liệu hóa thạch. Tuy nhiên, hầu hết các phương pháp sản xuất hydro công nghiệp thông thường đều đi kèm với các vấn đề về môi trường, thải ra một lượng đáng kể carbon dioxide và khí nhà kính.

Tách nước điện hóa được coi là một phương pháp tiềm năng để sản xuất hydro sạch. Pt là một trong những chất xúc tác được sử dụng phổ biến nhất để cải thiện hiệu suất HER trong quá trình tách nước điện hóa, nhưng chi phí cao và sự khan hiếm của Pt vẫn là trở ngại chính cho các ứng dụng thương mại đại chúng.

SAC, trong đó tất cả các loại kim loại được phân tán riêng lẻ trên vật liệu hỗ trợ mong muốn, đã được xác định là một cách để giảm lượng sử dụng Pt, vì chúng cung cấp số lượng nguyên tử Pt tiếp xúc bề mặt tối đa.

Lấy cảm hứng từ các nghiên cứu trước đó, chủ yếu tập trung vào SAC được hỗ trợ bởi vật liệu gốc carbon, nhóm nghiên cứu KAIST do Giáo sư Jinwoo Lee từ Khoa Kỹ thuật Hóa học và Sinh học phân tử dẫn đầu đã nghiên cứu ảnh hưởng của vật liệu hỗ trợ đến hiệu suất của SAC.

Giáo sư Lee và các nhà nghiên cứu của ông đã đề xuất vonfram suboxit trung tính làm vật liệu hỗ trợ mới cho Pt phân tán nguyên tử, vì điều này được kỳ vọng sẽ mang lại độ dẫn điện tử cao và có tác dụng hiệp đồng với Pt.

Họ so sánh hiệu suất của Pt đơn nguyên tử được hỗ trợ bởi carbon suboxide và vonfram suboxide. Kết quả cho thấy hiệu ứng hỗ trợ xảy ra với vonfram suboxide, trong đó hoạt độ khối lượng của Pt đơn nguyên tử được hỗ trợ bởi vonfram suboxide lớn hơn 2,1 lần so với Pt đơn nguyên tử được hỗ trợ bởi carbon và cao hơn 16,3 lần so với Pt các hạt nano được hỗ trợ bởi carbon.

Nhóm nghiên cứu đã chỉ ra một sự thay đổi trong cấu trúc điện tử của Pt thông qua sự chuyển điện tích từ vonfram suboxit sang Pt. Hiện tượng này được báo cáo là kết quả của sự tương tác hỗ trợ kim loại mạnh giữa Pt và vonfram suboxide.

Nhóm nghiên cứu cho biết hiệu suất của HER có thể được cải thiện không chỉ bằng cách thay đổi cấu trúc điện tử của kim loại được hỗ trợ mà còn bằng cách tạo ra một hiệu ứng hỗ trợ khác, hiệu ứng lan tỏa. Tràn hydro là hiện tượng hydro bị hấp phụ di chuyển từ bề mặt này sang bề mặt khác và nó xảy ra dễ dàng hơn khi kích thước Pt trở nên nhỏ hơn.

Các nhà nghiên cứu đã so sánh hiệu suất của các hạt nano Pt và Pt nguyên tử đơn được hỗ trợ bởi vonfram suboxide. Pt đơn nguyên tử được hỗ trợ bởi vonfram suboxide thể hiện hiện tượng tràn hydro ở mức độ cao hơn, giúp tăng cường hoạt động khối lượng Pt để tiến hóa hydro lên tới 10,7 lần so với các hạt nano Pt được hỗ trợ bởi vonfram suboxide.

Giáo sư Lee cho biết: “Việc lựa chọn vật liệu hỗ trợ phù hợp là điều quan trọng để cải thiện khả năng xúc tác điện trong sản xuất hydro. Chất xúc tác vonfram suboxide mà chúng tôi sử dụng để hỗ trợ Pt trong nghiên cứu của chúng tôi ngụ ý rằng sự tương tác giữa kim loại kết hợp tốt và chất hỗ trợ có thể nâng cao đáng kể hiệu quả của quá trình.”