دانشمندان مدت‌هاست می‌دانستند که پلاتین بهترین کاتالیزور برای شکافتن مولکول‌های آب برای تولید گاز هیدروژن است. یک مطالعه جدید توسط محققان دانشگاه براون نشان می دهد که چرا پلاتین تا این حد خوب کار می کند - و این دلیلی نیست که تصور می شود.

به گفته نویسندگان، این تحقیق که در ACS Catalysis منتشر شده است، به حل یک سوال تحقیقاتی نزدیک به یک قرن کمک می کند. و می تواند به طراحی کاتالیزورهای جدید برای تولید هیدروژن که ارزان تر و فراوان تر از پلاتین هستند کمک کند. این در نهایت می تواند به کاهش انتشار گازهای گلخانه ای از سوخت های فسیلی کمک کند.

اندرو پترسون، دانشیار دانشکده مهندسی براون و نویسنده ارشد این مطالعه، گفت: «اگر بتوانیم بفهمیم که چگونه هیدروژن را ارزان و کارآمد بسازیم، راه‌حل‌های عمل‌گرایانه زیادی را برای سوخت‌های بدون فسیل و مواد شیمیایی باز می‌کنیم. . هیدروژن را می‌توان در پیل‌های سوختی، ترکیب با CO2 اضافی برای تولید سوخت یا ترکیب با نیتروژن برای تولید کود آمونیاک استفاده کرد. کارهای زیادی می‌توانیم با هیدروژن انجام دهیم، اما برای اینکه آب را به یک منبع هیدروژن مقیاس‌پذیر تبدیل کنیم، به یک کاتالیزور ارزان‌تر نیاز داریم.

پیترسون می‌گوید طراحی کاتالیزورهای جدید با درک این که چه چیزی پلاتین را برای این واکنش خاص می‌کند، شروع می‌شود، و این همان چیزی است که این تحقیق جدید به دنبال کشف آن بود.

موفقیت پلاتین به مدت طولانی به انرژی اتصال "Goldilocks" آن نسبت داده شده است. کاتالیزورهای ایده آل مولکول های واکنش دهنده را نه خیلی شل و نه خیلی محکم، بلکه جایی در وسط نگه می دارند. مولکول ها را خیلی شل متصل کنید و شروع واکنش دشوار است. آنها را خیلی محکم بچسبانید و مولکول ها به سطح کاتالیزور بچسبند و واکنش را به سختی انجام دهند. انرژی پیوند هیدروژن روی پلاتین اتفاقاً دو بخش واکنش تقسیم آب را کاملاً متعادل می کند - و بنابراین اکثر دانشمندان بر این باورند که این ویژگی است که پلاتین را بسیار خوب می کند.

پیترسون می‌گوید، اما دلایلی وجود دارد که می‌توان این سوال را مطرح کرد که آیا این تصویر درست است یا خیر. به عنوان مثال، ماده ای به نام دی سولفید مولیبدن (MoS2) دارای انرژی پیوندی مشابه پلاتین است، اما کاتالیزور بسیار بدتری برای واکنش تقسیم آب است. پیترسون می‌گوید این نشان می‌دهد که انرژی پیوند نمی‌تواند داستان کامل باشد.

برای اینکه بفهمند چه اتفاقی می‌افتد، او و همکارانش واکنش تقسیم آب روی کاتالیزورهای پلاتین را با استفاده از روش خاصی که برای شبیه‌سازی رفتار اتم‌ها و الکترون‌ها در واکنش‌های الکتروشیمیایی ایجاد کردند، مطالعه کردند.

تجزیه و تحلیل نشان داد که اتم های هیدروژنی که در انرژی اتصال "Goldilocks" به سطح پلاتین متصل می شوند، در واقع وقتی سرعت واکنش بالا است، در واکنش شرکت نمی کنند. در عوض، آنها خود را در داخل لایه کریستالی سطحی پلاتین قرار می‌دهند، جایی که تماشاگران بی‌اثر باقی می‌مانند. اتم‌های هیدروژنی که در واکنش شرکت می‌کنند بسیار ضعیف‌تر از انرژی فرضی «گلدی‌لاک» هستند. و به جای اینکه در شبکه لانه کنند، در بالای اتم های پلاتین می نشینند، جایی که آنها آزادند تا با یکدیگر ملاقات کنند تا گاز H2 را تشکیل دهند.

محققان نتیجه می‌گیرند که آزادی حرکت اتم‌های هیدروژن روی سطح است که پلاتین را بسیار واکنش‌پذیر می‌کند.

پیترسون گفت: «آنچه این به ما می‌گوید این است که جستجو برای انرژی اتصال «گلدی‌لاک» اصل طراحی درستی برای منطقه با فعالیت بالا نیست. ما پیشنهاد می‌کنیم که طراحی کاتالیزورهایی که هیدروژن را در این حالت بسیار متحرک و واکنش‌پذیر قرار می‌دهند، راه حلی است.