Wolframsuboxid verbessert die Effizienz von Platin bei der Wasserstofferzeugung
Die Forscher präsentierten eine neue Strategie zur Verbesserung der katalytischen Aktivität unter Verwendung von Wolframsuboxid als Einzelatomkatalysator (single-atom catalyst, SAC). Diese Strategie, die die Wasserstoffevolutionsreaktion (hydrogen evolution reaction, HER) in Metallplatin (pt) um das 16,3-fache verbessert, beleuchtet die Entwicklung neuer elektrochemischer Katalysatortechnologien.
Dies ist eine schematische Darstellung der Wasserstoffevolutionsreaktion (HER) von Pseudo-Einatom-Pt, unterstützt durch Wolframsuboxid.
KAIST
Wasserstoff wird als vielversprechende Alternative zu fossilen Brennstoffen bezeichnet. Die meisten der herkömmlichen industriellen Wasserstoffproduktionsmethoden sind jedoch mit Umweltproblemen verbunden und setzen erhebliche Mengen an Kohlendioxid und Treibhausgasen frei.
Die elektrochemische Wasserspaltung gilt als möglicher Ansatz für die Herstellung von sauberem Wasserstoff. Pt ist einer der am häufigsten verwendeten Katalysatoren zur Verbesserung der HER-Leistung bei der elektrochemischen Wasserspaltung, aber die hohen Kosten und die Knappheit von Pt bleiben die Haupthindernisse für kommerzielle Massenanwendungen.
SACs, bei denen alle Metallspezies einzeln auf einem gewünschten Trägermaterial dispergiert sind, wurden als eine Möglichkeit identifiziert, den Pt-Verbrauch zu reduzieren, da sie die maximale Anzahl an oberflächenexponierten Pt-Atomen bieten.
Inspiriert von früheren Studien, die sich hauptsächlich auf SACs konzentrierten, die durch kohlenstoffbasierte Materialien unterstützt wurden, untersuchte ein KAIST-Forschungsteam unter der Leitung von Professor Jinwoo Lee vom Department of Chemical and Biomolecular Engineering den Einfluss von Trägermaterialien auf die Leistung von SACs.
Professor Lee und seine Forscher schlugen mesoporöses Wolframsuboxid als neues Trägermaterial für atomar dispergiertes Pt vor, da dies eine hohe elektronische Leitfähigkeit und einen synergetischen Effekt mit Pt haben sollte.
Sie verglichen die Leistung von Single-Atom-Pt, das von Kohlenstoff bzw. Wolframsuboxid unterstützt wird. Die Ergebnisse zeigten, dass der Unterstützungseffekt mit Wolframsuboxid auftrat, bei dem die Massenaktivität eines einatomigen Pt, das von Wolframsuboxid getragen wurde, 2,1 mal größer war als die eines einatomigen Pt, das von Kohlenstoff unterstützt wurde, und 16,3 mal höher als die von Pt-Nanopartikeln, die von Kohlenstoff unterstützt wurden.
Das Team zeigte eine Veränderung der elektronischen Struktur von Pt durch Ladungsübertragung von Wolframsuboxid auf Pt an, die als Ergebnis einer starken Metall-Träger-Wechselwirkung zwischen Pt und Wolframsuboxid gemeldet wurde.
Ihre Leistung kann nicht nur durch eine Änderung der elektronischen Struktur des getragenen Metalls verbessert werden, sondern auch durch die Induktion eines weiteren Unterstützungseffekts, des Überlaufeffekts, berichtete die Forschungsgruppe. Wasserstoffüberlauf ist ein Phänomen, bei dem adsorbierter Wasserstoff von einer Oberfläche zur anderen wandert, und er tritt leichter auf, wenn die Pt-Größe kleiner wird.
Die Forscher verglichen die Leistung von Einzelatom-Pt- und Pt-Nanopartikeln, die von Wolframsuboxid unterstützt werden. Das einatomige Pt, das von Wolframsuboxid unterstützt wurde, zeigte ein höheres Maß an Wasserstoffüberlaufphänomen, was die Pt-Massenaktivität für die Wasserstoffentwicklung um das bis zu 10,7-fache erhöhte, verglichen mit Pt-Nanopartikeln, die von Wolframsuboxid unterstützt wurden.
Professor Lee sagte: "Die Wahl des richtigen Trägermaterials ist wichtig, um die Elektrokatalyse bei der Wasserstofferzeugung zu verbessern. Der Wolframsuboxid-Katalysator, den wir in unserer Studie zur Unterstützung von Pt verwendet haben, deutet darauf hin, dass Wechselwirkungen zwischen dem gut abgestimmten Metall und dem Träger die Effizienz des Prozesses drastisch steigern können."
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