Οι επιστήμονες γνώριζαν από καιρό ότι η πλατίνα είναι μακράν ο καλύτερος καταλύτης για τη διάσπαση των μορίων του νερού για την παραγωγή αερίου υδρογόνου. Μια νέα μελέτη από ερευνητές του Πανεπιστημίου Brown δείχνει γιατί η πλατίνα λειτουργεί τόσο καλά - και δεν είναι ο λόγος που υποτίθεται ότι είναι.

Η έρευνα, που δημοσιεύτηκε στο ACS Catalysis, βοηθά στην επίλυση ενός ερευνητικού ερωτήματος σχεδόν αιώνα, λένε οι συγγραφείς. Και θα μπορούσε να βοηθήσει στο σχεδιασμό νέων καταλυτών για την παραγωγή υδρογόνου που είναι φθηνότεροι και πιο άφθονοι από την πλατίνα. Αυτό θα μπορούσε τελικά να βοηθήσει στη μείωση των εκπομπών από ορυκτά καύσιμα.

«Εάν μπορούμε να καταλάβουμε πώς να παράγουμε υδρογόνο φθηνά και αποτελεσματικά, ανοίγει την πόρτα σε πολλές ρεαλιστικές λύσεις για καύσιμα και χημικά χωρίς ορυκτά», δήλωσε ο Andrew Peterson, αναπληρωτής καθηγητής στο Brown's School of Engineering και ανώτερος συγγραφέας της μελέτης. . «Το υδρογόνο μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε κυψέλες καυσίμου, σε συνδυασμό με περίσσεια CO2 για την παραγωγή καυσίμου ή σε συνδυασμό με άζωτο για την παραγωγή λιπάσματος αμμωνίας. Υπάρχουν πολλά που μπορούμε να κάνουμε με το υδρογόνο, αλλά για να κάνουμε τη διάσπαση του νερού μια κλιμακούμενη πηγή υδρογόνου, χρειαζόμαστε έναν φθηνότερο καταλύτη».

Ο σχεδιασμός νέων καταλυτών ξεκινά με την κατανόηση του τι κάνει την πλατίνα τόσο ξεχωριστή για αυτήν την αντίδραση, λέει ο Peterson, και αυτό είχε στόχο να καταλάβει αυτή η νέα έρευνα.

Η επιτυχία του Platinum έχει αποδοθεί εδώ και πολύ καιρό στη δεσμευτική του ενέργεια "Goldilocks". Οι ιδανικοί καταλύτες κρατούν τα μόρια που αντιδρούν ούτε πολύ χαλαρά ούτε πολύ σφιχτά, αλλά κάπου στη μέση. Δέστε τα μόρια πολύ χαλαρά και είναι δύσκολο να ξεκινήσει μια αντίδραση. Δέστε τα πολύ σφιχτά και τα μόρια κολλάνε στην επιφάνεια του καταλύτη, καθιστώντας δύσκολη την ολοκλήρωση της αντίδρασης. Η ενέργεια δέσμευσης του υδρογόνου στην πλατίνα απλώς εξισορροπεί τέλεια τα δύο μέρη της αντίδρασης διάσπασης του νερού - και έτσι οι περισσότεροι επιστήμονες έχουν πιστέψει ότι αυτό το χαρακτηριστικό είναι που κάνει την πλατίνα τόσο καλή.

Αλλά υπήρχαν λόγοι να αμφισβητηθεί αν αυτή η εικόνα ήταν σωστή, λέει ο Peterson. Για παράδειγμα, ένα υλικό που ονομάζεται δισουλφίδιο του μολυβδαινίου (MoS2) έχει ενέργεια δέσμευσης παρόμοια με την πλατίνα, αλλά είναι πολύ χειρότερος καταλύτης για την αντίδραση διάσπασης του νερού. Αυτό υποδηλώνει ότι η δεσμευτική ενέργεια δεν μπορεί να είναι η πλήρης ιστορία, λέει ο Peterson.

Για να μάθουν τι συνέβαινε, αυτός και οι συνεργάτες του μελέτησαν την αντίδραση διάσπασης νερού σε καταλύτες πλατίνας χρησιμοποιώντας μια ειδική μέθοδο που ανέπτυξαν για να προσομοιώσουν τη συμπεριφορά μεμονωμένων ατόμων και ηλεκτρονίων σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις.

Η ανάλυση έδειξε ότι τα άτομα υδρογόνου που συνδέονται με την επιφάνεια της πλατίνας στην ενέργεια δέσμευσης «Goldilocks» δεν συμμετέχουν στην πραγματικότητα καθόλου στην αντίδραση όταν ο ρυθμός αντίδρασης είναι υψηλός. Αντίθετα, φωλιάζουν μέσα στο επιφανειακό κρυσταλλικό στρώμα της πλατίνας, όπου παραμένουν αδρανείς παρευρισκόμενοι. Τα άτομα υδρογόνου που συμμετέχουν στην αντίδραση είναι πολύ πιο ασθενώς συνδεδεμένα από την υποτιθέμενη ενέργεια «Goldilocks». Και αντί να φωλιάζουν στο πλέγμα, κάθονται στην κορυφή των ατόμων πλατίνας, όπου είναι ελεύθερα να συναντηθούν μεταξύ τους για να σχηματίσουν αέριο Η2.

Είναι αυτή η ελευθερία κίνησης των ατόμων υδρογόνου στην επιφάνεια που κάνει την πλατίνα τόσο αντιδραστική, συμπεραίνουν οι ερευνητές.

«Αυτό που μας λέει αυτό είναι ότι η αναζήτηση αυτής της δεσμευτικής ενέργειας «Goldilocks» δεν είναι η σωστή αρχή σχεδιασμού για την περιοχή υψηλής δραστηριότητας», είπε ο Peterson. «Προτείνουμε ότι ο σχεδιασμός καταλυτών που βάζουν το υδρογόνο σε αυτή την εξαιρετικά ευκίνητη και αντιδραστική κατάσταση είναι ο καλύτερος τρόπος».