Teadlased on juba ammu teadnud, et plaatina on vaieldamatult parim katalüsaator veemolekulide lõhustamiseks vesinikgaasi tootmiseks. Browni ülikooli teadlaste uus uuring näitab, miks plaatina nii hästi töötab – ja see pole põhjus, mida eeldatakse.

Ajakirjas ACS Catalysis avaldatud uurimus aitab lahendada peaaegu sajandivanuse uurimisküsimuse, väidavad autorid. Ja see võib aidata kavandada uusi katalüsaatoreid vesiniku tootmiseks, mis on odavamad ja rikkalikumad kui plaatina. See võib lõppkokkuvõttes aidata vähendada fossiilkütuste heitkoguseid.

"Kui suudame välja mõelda, kuidas vesinikku odavalt ja tõhusalt toota, avab see ukse paljudele pragmaatilistele lahendustele fossiilsete kütuste ja kemikaalide jaoks," ütles Browni tehnikakooli dotsent ja uuringu vanemautor Andrew Peterson. . „Vesinikku saab kasutada kütuseelementides, kombineerida liigse CO2-ga kütuse valmistamiseks või lämmastikuga ammoniaakväetise valmistamiseks. Vesinikuga saame palju ära teha, kuid selleks, et muuta vett jagavast veest skaleeritav vesinikuallikas, on vaja odavamat katalüsaatorit.

Uute katalüsaatorite kavandamine algab mõistmisest, mis muudab plaatina selle reaktsiooni jaoks nii eriliseks, ütleb Peterson, ja see on see, mida selle uue uuringu eesmärk oli välja selgitada.

Platinumi edu on pikka aega omistatud selle "kuldvillaku" sidumisenergiale. Ideaalsed katalüsaatorid hoiavad reageerivatest molekulidest kinni ei liiga lõdvalt ega liiga tihedalt, vaid kuskil keskel. Seo molekulid liiga lõdvalt ja reaktsiooni on raske käivitada. Siduge need liiga tihedalt ja molekulid kleepuvad katalüsaatori pinnale, muutes reaktsiooni lõpuleviimise keeruliseks. Plaatina vesiniku sidumisenergia lihtsalt tasakaalustab vee jagamisreaktsiooni kahte osa ideaalselt – ja seetõttu on enamik teadlasi uskunud, et just see omadus teeb plaatina nii heaks.

Kuid oli põhjust kahelda, kas see pilt oli õige, ütleb Peterson. Näiteks materjalil, mida nimetatakse molübdeendisulfiidiks (MoS2), on plaatinaga sarnane sidumisenergia, kuid see on vee jagamise reaktsiooni jaoks palju halvem katalüsaator. See viitab sellele, et siduv energia ei saa olla täielik lugu, ütleb Peterson.

Toimuva väljaselgitamiseks uuris ta koos kolleegidega plaatinakatalüsaatorite vee jagamise reaktsiooni spetsiaalse meetodi abil, mille nad töötasid välja üksikute aatomite ja elektronide käitumise simuleerimiseks elektrokeemilistes reaktsioonides.

Analüüs näitas, et vesinikuaatomid, mis on seotud plaatina pinnaga "Kuldvillaku" sidumisenergiaga, ei osale tegelikult reaktsioonis üldse, kui reaktsioonikiirus on kõrge. Selle asemel pesitsevad nad plaatina pinnakristallilises kihis, kus nad jäävad inertseks kõrvalseisjaks. Reaktsioonis osalevad vesinikuaatomid on palju nõrgemalt seotud kui oletatav "kuldvillaku" energia. Ja selle asemel, et võres pesitseda, istuvad nad plaatina aatomite tipus, kus nad võivad vabalt üksteisega kohtuda, moodustades gaasi H2.

Uurijad järeldavad, et pinnal olevate vesinikuaatomite liikumisvabadus muudab plaatina nii reaktiivseks.

"See ütleb meile, et selle "Kuldvillaku" sidumisenergia otsimine ei ole kõrge aktiivsusega piirkonna jaoks õige disainipõhimõte, " ütles Peterson. "Soovitame, et vesiniku sellesse väga liikuvasse ja reaktiivsesse olekusse viivate katalüsaatorite kavandamine on õige tee."