لقد عرف العلماء منذ فترة طويلة أن البلاتين هو أفضل محفز على الإطلاق لتقسيم جزيئات الماء لإنتاج غاز الهيدروجين. أظهرت دراسة جديدة أجراها باحثون من جامعة براون سبب فعالية البلاتين بشكل جيد، وليس هذا هو السبب المفترض.

يقول المؤلفون إن البحث، الذي نُشر في مجلة ACS Catalogy، يساعد في حل سؤال بحثي عمره قرن تقريبًا. ويمكن أن يساعد في تصميم محفزات جديدة لإنتاج الهيدروجين الأرخص والأكثر وفرة من البلاتين. ويمكن أن يساعد ذلك في نهاية المطاف في تقليل الانبعاثات الناجمة عن الوقود الأحفوري.

وقال أندرو بيترسون، الأستاذ المشارك في كلية براون للهندسة والمؤلف الرئيسي للدراسة: "إذا تمكنا من معرفة كيفية صنع الهيدروجين بتكلفة منخفضة وبكفاءة، فإن ذلك يفتح الباب أمام الكثير من الحلول العملية للوقود والمواد الكيميائية الخالية من الحفريات". . "يمكن استخدام الهيدروجين في خلايا الوقود، مع فائض ثاني أكسيد الكربون لصنع الوقود أو دمجه مع النيتروجين لصنع سماد الأمونيا. هناك الكثير مما يمكننا فعله بالهيدروجين، ولكن لجعل تجزئة الماء مصدرًا للهيدروجين قابلاً للتطوير، نحتاج إلى محفز أرخص.

يقول بيترسون إن تصميم محفزات جديدة يبدأ بفهم ما الذي يجعل البلاتين مميزًا جدًا لهذا التفاعل، وهذا ما يهدف هذا البحث الجديد إلى اكتشافه.

يُعزى نجاح البلاتين منذ فترة طويلة إلى طاقة الربط "المعتدلة" التي يتمتع بها. لا تحتفظ المحفزات المثالية بالجزيئات المتفاعلة بشكل فضفاض للغاية ولا بإحكام شديد، ولكن في مكان ما في المنتصف. اربط الجزيئات بشكل فضفاض جدًا، ومن الصعب بدء التفاعل. قم بربطها بإحكام شديد، وستلتصق الجزيئات بسطح المحفز، مما يجعل من الصعب إكمال التفاعل. إن طاقة ربط الهيدروجين على البلاتين تعمل على تحقيق التوازن التام بين جزأين تفاعل تجزئة الماء، ولذلك يعتقد معظم العلماء أن هذه الخاصية هي التي تجعل البلاتين جيدًا جدًا.

ولكن كانت هناك أسباب للتساؤل عما إذا كانت تلك الصورة صحيحة، كما يقول بيترسون. على سبيل المثال، تحتوي مادة تسمى ثاني كبريتيد الموليبدينوم (MoS2) على طاقة ربط مشابهة للبلاتين، ولكنها تعتبر محفزًا أسوأ بكثير لتفاعل تقسيم الماء. يقول بيترسون إن هذا يشير إلى أن طاقة الربط لا يمكن أن تكون القصة الكاملة.

ولمعرفة ما كان يحدث، قام هو وزملاؤه بدراسة تفاعل تجزئة الماء على محفزات البلاتين باستخدام طريقة خاصة طوروها لمحاكاة سلوك الذرات والإلكترونات الفردية في التفاعلات الكهروكيميائية.

وأظهر التحليل أن ذرات الهيدروجين المرتبطة بسطح البلاتين عند طاقة الربط "المعتدل" لا تشارك فعلياً في التفاعل على الإطلاق عندما يكون معدل التفاعل مرتفعاً. وبدلاً من ذلك، فإنها تستقر داخل الطبقة البلورية السطحية للبلاتين، حيث تظل متفرجة خاملة. إن ذرات الهيدروجين التي تشارك في التفاعل تكون مرتبطة بشكل أضعف بكثير من طاقة "المعتدل" المفترضة. وبدلاً من أن تستقر في الشبكة، فإنها تجلس فوق ذرات البلاتين، حيث تكون حرة في الالتقاء مع بعضها البعض لتكوين غاز H2.

وخلص الباحثون إلى أن حرية حركة ذرات الهيدروجين على السطح هي التي تجعل البلاتين شديد التفاعل.

وقال بيترسون: "ما يخبرنا به هذا هو أن البحث عن طاقة الربط "المعتدلة" ليس مبدأ التصميم الصحيح للمنطقة عالية النشاط". "نقترح أن تصميم المحفزات التي تضع الهيدروجين في هذه الحالة شديدة الحركة والتفاعل هو الطريق الصحيح."