Wetenskaplikes weet al lank dat platinum verreweg die beste katalisator is vir die splitsing van watermolekules om waterstofgas te produseer. 'n Nuwe studie deur Brown University-navorsers toon hoekom platinum so goed werk - en dit is nie die rede wat aanvaar is nie.

Die navorsing, gepubliseer in ACS Catalysis, help om 'n byna eeu-oue navorsingsvraag op te los, sê die skrywers. En dit kan help met die ontwerp van nuwe katalisators vir die vervaardiging van waterstof wat goedkoper en volop is as platinum. Dit kan uiteindelik help om die uitstoot van fossielbrandstowwe te verminder.

"As ons kan uitvind hoe om waterstof goedkoop en doeltreffend te maak, maak dit die deur oop vir baie pragmatiese oplossings vir fossielvrye brandstowwe en chemikalieë," sê Andrew Peterson, 'n medeprofessor in Brown se Skool vir Ingenieurswese en die studie se senior skrywer . “Waterstof kan in brandstofselle gebruik word, gekombineer met oortollige CO2 om brandstof te maak of gekombineer met stikstof om ammoniakkunsmis te maak. Daar is baie wat ons met waterstof kan doen, maar om watersplitsing ’n skaalbare waterstofbron te maak, het ons ’n goedkoper katalisator nodig.”

Die ontwerp van nuwe katalisators begin met die begrip van wat platinum so spesiaal maak vir hierdie reaksie, sê Peterson, en dit is wat hierdie nuwe navorsing daarop gemik het om uit te vind.

Platinum se sukses word lankal toegeskryf aan sy “Goldilocks”-bindingsenergie. Ideale katalisators hou vas aan reagerende molekules nie te los of te styf nie, maar iewers in die middel. Bind die molekules te los en dit is moeilik om 'n reaksie aan die gang te kry. Bind hulle te styf en molekules kleef aan die katalisator se oppervlak, wat 'n reaksie moeilik maak om te voltooi. Die bindingsenergie van waterstof op platinum balanseer net toevallig die twee dele van die watersplitsingsreaksie perfek - en daarom het die meeste wetenskaplikes geglo dit is daardie eienskap wat platinum so goed maak.

Maar daar was redes om te bevraagteken of daardie prentjie korrek was, sê Peterson. Byvoorbeeld, 'n materiaal genaamd molibdeendisulfied (MoS2) het 'n bindingsenergie soortgelyk aan platinum, maar is 'n veel erger katalisator vir die watersplitsingsreaksie. Dit dui daarop dat bindende energie nie die volle storie kan wees nie, sê Peterson.

Om uit te vind wat gebeur het, het hy en sy kollegas die watersplitsingsreaksie op platinumkatalisators bestudeer deur 'n spesiale metode wat hulle ontwikkel het om die gedrag van individuele atome en elektrone in elektrochemiese reaksies te simuleer.

Die ontleding het getoon dat die waterstofatome wat aan die oppervlak van platinum gebind is by die “Goldilocks”-bindingsenergie, eintlik glad nie aan die reaksie deelneem wanneer die reaksietempo hoog is nie. In plaas daarvan, nestel hulle hulself binne die oppervlak kristallyne laag van die platinum, waar hulle inerte omstanders bly. Die waterstofatome wat wel aan die reaksie deelneem, is baie swakker gebonde as die veronderstelde "Gouelokkies"-energie. En eerder as om in die rooster te nestel, sit hulle bo-op die platinumatome, waar hulle vry is om mekaar te ontmoet om H2-gas te vorm.

Dit is daardie vryheid van beweging vir waterstofatome op die oppervlak wat platinum so reaktief maak, kom die navorsers tot die gevolgtrekking.

"Wat dit vir ons sê, is dat die soek na hierdie 'Goldilocks'-bindende energie nie die regte ontwerpbeginsel vir die hoë-aktiwiteitstreek is nie," het Peterson gesê. "Ons stel voor dat die ontwerp van katalisators wat waterstof in hierdie hoogs mobiele en reaktiewe toestand plaas, die pad is om te gaan."