Wissenschaftler wissen seit langem, dass Platin der mit Abstand beste Katalysator für die Spaltung von Wassermolekülen zur Erzeugung von Wasserstoffgas ist. Eine neue Studie von Forschern der Brown University zeigt, warum Platin so gut wirkt – und das ist nicht der Grund, der angenommen wird.

Die in ACS Catalysis veröffentlichte Forschung trage zur Lösung einer fast hundertjährigen Forschungsfrage bei, sagen die Autoren. Und es könnte bei der Entwicklung neuer Katalysatoren zur Herstellung von Wasserstoff helfen, die billiger und in größeren Mengen als Platin erhältlich sind. Dies könnte letztendlich dazu beitragen, die Emissionen fossiler Brennstoffe zu reduzieren.

„Wenn wir herausfinden können, wie wir Wasserstoff kostengünstig und effizient herstellen können, öffnet sich die Tür zu vielen pragmatischen Lösungen für fossilfreie Kraftstoffe und Chemikalien“, sagte Andrew Peterson, außerordentlicher Professor an der Brown's School of Engineering und leitender Autor der Studie . „Wasserstoff kann in Brennstoffzellen verwendet werden, kombiniert mit überschüssigem CO2 zur Herstellung von Kraftstoff oder kombiniert mit Stickstoff zur Herstellung von Ammoniakdünger. Mit Wasserstoff können wir viel machen, aber um die Wasserspaltung zu einer skalierbaren Wasserstoffquelle zu machen, brauchen wir einen günstigeren Katalysator.“

Die Entwicklung neuer Katalysatoren beginnt mit dem Verständnis, was Platin für diese Reaktion so besonders macht, sagt Peterson, und genau das wollte diese neue Forschung herausfinden.

Der Erfolg von Platin wird seit langem auf seine „Goldlöckchen“-Bindungsenergie zurückgeführt. Ideale Katalysatoren halten die reagierenden Moleküle weder zu locker noch zu fest fest, sondern irgendwo in der Mitte. Binden Sie die Moleküle zu locker und es ist schwierig, eine Reaktion in Gang zu setzen. Wenn sie zu fest gebunden werden, bleiben die Moleküle an der Oberfläche des Katalysators haften, was den Abschluss einer Reaktion erschwert. Die Bindungsenergie von Wasserstoff auf Platin gleicht die beiden Teile der Wasserspaltungsreaktion perfekt aus – und daher sind die meisten Wissenschaftler davon ausgegangen, dass es diese Eigenschaft ist, die Platin so gut macht.

Aber es gab Gründe, an der Richtigkeit dieses Bildes zu zweifeln, sagt Peterson. Beispielsweise hat ein Material namens Molybdändisulfid (MoS2) eine ähnliche Bindungsenergie wie Platin, ist jedoch ein weitaus schlechterer Katalysator für die Wasserspaltungsreaktion. Das deutet darauf hin, dass Bindungsenergie nicht die ganze Geschichte sein kann, sagt Peterson.

Um herauszufinden, was geschah, untersuchten er und seine Kollegen die Wasserspaltungsreaktion an Platinkatalysatoren mit einer speziellen Methode, die sie entwickelt hatten, um das Verhalten einzelner Atome und Elektronen in elektrochemischen Reaktionen zu simulieren.

Die Analyse zeigte, dass die Wasserstoffatome, die mit der „Goldlöckchen“-Bindungsenergie an die Platinoberfläche gebunden sind, bei hoher Reaktionsgeschwindigkeit überhaupt nicht an der Reaktion teilnehmen. Stattdessen schmiegen sie sich in die kristalline Oberflächenschicht des Platins ein, wo sie inaktiv bleiben. Die an der Reaktion beteiligten Wasserstoffatome sind weitaus schwächer gebunden als die vermeintliche „Goldlöckchen“-Energie. Und anstatt sich in das Gitter einzubetten, sitzen sie auf den Platinatomen, wo sie sich ungehindert treffen können, um H2-Gas zu bilden.

Es ist diese Bewegungsfreiheit der Wasserstoffatome auf der Oberfläche, die Platin so reaktiv macht, schließen die Forscher.

„Dies zeigt uns, dass die Suche nach dieser ‚Goldlöckchen‘-Bindungsenergie nicht das richtige Designprinzip für die Region mit hoher Aktivität ist“, sagte Peterson. „Wir schlagen vor, dass die Entwicklung von Katalysatoren, die Wasserstoff in diesen hochmobilen und reaktiven Zustand versetzen, der richtige Weg ist.“