Vědci již dlouho vědí, že platina je zdaleka nejlepším katalyzátorem pro štěpení molekul vody za vzniku plynného vodíku. Nová studie vědců z Brown University ukazuje, proč platina funguje tak dobře – a není to důvod, který se předpokládal.

Výzkum publikovaný v ACS Catalysis pomáhá vyřešit téměř století starou výzkumnou otázku, říkají autoři. A mohlo by to pomoci při navrhování nových katalyzátorů pro výrobu vodíku, které jsou levnější a vydatnější než platina. To by nakonec mohlo pomoci snížit emise z fosilních paliv.

„Pokud dokážeme přijít na to, jak vyrobit vodík levně a efektivně, otevře to dveře mnoha pragmatickým řešením pro bezfosilní paliva a chemikálie,“ řekl Andrew Peterson, docent na Brown's School of Engineering a hlavní autor studie. . „Vodík lze použít v palivových článcích v kombinaci s přebytkem CO2 k výrobě paliva nebo v kombinaci s dusíkem k výrobě amoniakálního hnojiva. S vodíkem toho můžeme dělat hodně, ale abychom udělali z rozdělování vody škálovatelný zdroj vodíku, potřebujeme levnější katalyzátor.“

Navrhování nových katalyzátorů začíná pochopením toho, co dělá platinu tak speciální pro tuto reakci, říká Peterson, a to je to, co tento nový výzkum chtěl zjistit.

Úspěch Platiny byl dlouho připisován její vazební energii „Zlatovláska“. Ideální katalyzátory nedrží na reagujících molekulách ani příliš volně, ani příliš těsně, ale někde uprostřed. Spojte molekuly příliš volně a je obtížné zahájit reakci. Spojte je příliš pevně a molekuly se přilepí na povrch katalyzátoru, což ztěžuje dokončení reakce. Vazebná energie vodíku na platině náhodou dokonale vyvažuje dvě části reakce štěpení vody – a tak většina vědců věřila, že je to právě tato vlastnost, která dělá platinu tak dobrou.

Ale existovaly důvody k pochybnostem, zda je tento obrázek správný, říká Peterson. Například materiál zvaný sulfid molybdenu (MoS2) má vazebnou energii podobnou platině, ale je mnohem horším katalyzátorem pro reakci štěpení vody. To naznačuje, že svazující energie nemůže být úplný příběh, říká Peterson.

Aby zjistil, co se děje, studoval se svými kolegy reakci štěpení vody na platinových katalyzátorech pomocí speciální metody, kterou vyvinuli, aby simulovali chování jednotlivých atomů a elektronů při elektrochemických reakcích.

Analýza ukázala, že atomy vodíku, které jsou navázány na povrch platiny vazebnou energií „Goldilocks“, se ve skutečnosti vůbec neúčastní reakce, když je rychlost reakce vysoká. Místo toho se uhnízdí v povrchové krystalické vrstvě platiny, kde zůstávají inertními přihlížejícími. Atomy vodíku, které se účastní reakce, jsou mnohem slaběji vázané než předpokládaná energie „zlatovinky“. A místo aby se uhnízdili v mřížce, sedí na atomech platiny, kde se mohou vzájemně setkávat a vytvářet plyn H2.

Vědci uzavírají, že díky svobodě pohybu atomů vodíku na povrchu je platina tak reaktivní.

"To, co nám říká, je, že hledání této vazebné energie 'Goldilocks' není tím správným principem návrhu pro oblast s vysokou aktivitou," řekl Peterson. "Navrhujeme, že navržení katalyzátorů, které uvedou vodík do tohoto vysoce mobilního a reaktivního stavu, je cesta."