Onderzoekers presenteerden een nieuwe strategie voor het verbeteren van de katalytische activiteit met behulp van wolfraamsuboxide als een katalysator met één atoom (SAC). Deze strategie, die de waterstofontwikkelingsreactie (HER) in metaalplatina (pt) aanzienlijk verbetert met 16,3 keer, werpt licht op de ontwikkeling van nieuwe elektrochemische katalysatortechnologieën.

Waterstof is aangeprezen als een veelbelovend alternatief voor fossiele brandstoffen. Echter, de meeste conventionele industriële waterstofproductiemethoden hebben milieuproblemen, waarbij aanzienlijke hoeveelheden koolstofdioxide en broeikasgassen vrijkomen.

Elektrochemische watersplitsing wordt beschouwd als een mogelijke benadering voor de productie van schone waterstof. Pt is een van de meest gebruikte katalysatoren om de HER-prestaties bij elektrochemische watersplitsing te verbeteren, maar de hoge kosten en schaarste van Pt blijven belangrijke obstakels voor massale commerciële toepassingen.

SAC's, waarbij alle metaalsoorten afzonderlijk op een gewenst dragermateriaal zijn gedispergeerd, zijn geïdentificeerd als een manier om de hoeveelheid Pt-gebruik te verminderen, omdat ze het maximale aantal aan het oppervlak blootgestelde Pt-atomen bieden.

Geïnspireerd door eerdere studies, die zich voornamelijk richtte op SAC's ondersteund door op koolstof gebaseerde materialen, een KAIST-onderzoeksteam onder leiding van professor Jinwoo Lee van de afdeling Chemische en Biomoleculaire Engineering onderzocht de invloed van ondersteunende materialen op de prestaties van SAC's.

Professor Lee en zijn onderzoekers stelden mesoporeus wolfraamsuboxide voor als nieuw dragermateriaal voor atomair gedispergeerd Pt, omdat verwacht werd dat dit een hoge elektronische geleidbaarheid zou bieden en een synergetisch effect zou hebben met Pt.

Ze vergeleken de prestaties van Pt met één atoom, ondersteund door respectievelijk koolstof en wolfraamsuboxide. Uit de resultaten bleek dat het ondersteunende effect optrad met wolfraamsuboxide, waarin de massaactiviteit van een enkelvoudig Pt ondersteund door wolfraamsuboxide 2,1 keer groter was dan die van enkelvoudig Pt ondersteund door koolstof, en 16,3 keer hoger dan die van Pt-nanodeeltjes ondersteund door koolstof.

Het team wees op een verandering in de elektronische structuur van Pt via ladingsoverdracht van wolfraamsuboxide naar Pt. Dit fenomeen werd gemeld als gevolg van een sterke metaal-dragerinteractie tussen Pt en wolfraamsuboxide.

HAAR prestaties kunnen niet alleen worden verbeterd door de elektronische structuur van het ondersteunde metaal te veranderen, maar ook door een ander ondersteunend effect teweeg te brengen, het overloopeffect, meldt de onderzoeksgroep. Waterstofspillover is een fenomeen waarbij geadsorbeerde waterstof migreert van het ene oppervlak naar het andere, en het komt gemakkelijker voor naarmate de Pt-grootte kleiner wordt.

De onderzoekers vergeleken de prestaties van single-atom Pt- en Pt-nanodeeltjes ondersteund door wolfraamsuboxide. Het enkelatoom Pt ondersteund door wolfraamsuboxide vertoonde een hogere mate van waterstofspillover-fenomeen, die de Pt-massaactiviteit voor waterstofontwikkeling tot 10,7 keer verhoogde in vergelijking met Pt-nanodeeltjes ondersteund door wolfraamsuboxide.

Professor Lee zei:"Het kiezen van het juiste ondersteuningsmateriaal is belangrijk voor het verbeteren van elektrokatalyse bij de productie van waterstof. De wolfraamsuboxidekatalysator die we gebruikten om Pt in ons onderzoek te ondersteunen, impliceert dat interacties tussen het goed op elkaar afgestemde metaal en de ondersteuning de efficiëntie van het proces drastisch kunnen verbeteren."