Les chercheurs ont présenté une nouvelle stratégie pour améliorer l'activité catalytique en utilisant du sous-oxyde de tungstène comme catalyseur à un seul atome (SAC). Cette stratégie, qui améliore significativement la réaction de dégagement d'hydrogène (HER) dans le métal platine (pt) de 16,3 fois, met en lumière le développement de nouvelles technologies de catalyseurs électrochimiques.

L'hydrogène a été présenté comme une alternative prometteuse aux combustibles fossiles. Cependant, la plupart des méthodes industrielles conventionnelles de production d'hydrogène ont des enjeux environnementaux, libérant des quantités importantes de dioxyde de carbone et de gaz à effet de serre.

La séparation électrochimique de l'eau est considérée comme une approche potentielle pour la production d'hydrogène propre. Le Pt est l'un des catalyseurs les plus couramment utilisés pour améliorer les performances HER dans la séparation électrochimique de l'eau, mais le coût élevé et la rareté du Pt restent des obstacles majeurs aux applications commerciales de masse.

SAC, où toutes les espèces métalliques sont dispersées individuellement sur un matériau de support souhaité, ont été identifiés comme un moyen de réduire la quantité d'utilisation de Pt, car ils offrent le nombre maximum d'atomes de Pt exposés en surface.

Inspiré des études antérieures, qui s'est principalement concentré sur les SAC supportés par des matériaux à base de carbone, une équipe de recherche KAIST dirigée par le professeur Jinwoo Lee du département de génie chimique et biomoléculaire a étudié l'influence des matériaux de support sur les performances des SAC.

Le professeur Lee et ses chercheurs ont suggéré le sous-oxyde de tungstène mésoporeux comme nouveau matériau de support pour le Pt atomiquement dispersé, car cela devait fournir une conductivité électronique élevée et avoir un effet synergique avec le Pt.

Ils ont comparé les performances du Pt à un seul atome supporté respectivement par le carbone et le sous-oxyde de tungstène. Les résultats ont révélé que l'effet de support s'est produit avec le sous-oxyde de tungstène, dans laquelle l'activité massique d'un Pt à un seul atome supporté par du sous-oxyde de tungstène était 2,1 fois supérieure à celle du Pt à un seul atome supporté par du carbone, et 16,3 fois supérieur à celui des nanoparticules de Pt supportées par du carbone.

L'équipe a indiqué un changement dans la structure électronique du Pt via le transfert de charge du sous-oxyde de tungstène au Pt. Ce phénomène a été signalé à la suite d'une forte interaction métal-support entre le Pt et le sous-oxyde de tungstène.

Ses performances peuvent être améliorées non seulement en modifiant la structure électronique du métal supporté, mais aussi en induisant un autre effet de soutien, l'effet d'entraînement, rapporte le groupe de recherche. Le débordement d'hydrogène est un phénomène où l'hydrogène adsorbé migre d'une surface à une autre, et cela se produit plus facilement lorsque la taille de Pt devient plus petite.

Les chercheurs ont comparé les performances de nanoparticules de Pt et de Pt à un seul atome supportées par du sous-oxyde de tungstène. Le Pt à un seul atome supporté par le sous-oxyde de tungstène présentait un degré plus élevé de phénomène de débordement d'hydrogène, qui a amélioré l'activité de masse de Pt pour le dégagement d'hydrogène jusqu'à 10,7 fois par rapport aux nanoparticules de Pt supportées par le sous-oxyde de tungstène.

Le professeur Lee a dit, « Le choix du bon matériau de support est important pour améliorer l'électrocatalyse dans la production d'hydrogène. Le catalyseur de sous-oxyde de tungstène que nous avons utilisé pour soutenir le Pt dans notre étude implique que les interactions entre le métal bien adapté et le support peuvent considérablement améliorer l'efficacité du processus. »