Tiedemiehet ovat pitkään tienneet, että platina on ylivoimaisesti paras katalysaattori vesimolekyylien jakamiseen vetykaasun tuottamiseksi. Brownin yliopiston tutkijoiden uusi tutkimus osoittaa, miksi platina toimii niin hyvin - eikä se ole syy, jota oletetaan.

ACS Catalysis -lehdessä julkaistu tutkimus auttaa ratkaisemaan lähes vuosisadan vanhan tutkimuskysymyksen, kirjoittajat sanovat. Ja se voisi auttaa suunnittelemaan uusia katalyyttejä vetyn tuottamiseksi, jotka ovat halvempia ja runsaampia kuin platina. Se voisi viime kädessä auttaa vähentämään fossiilisten polttoaineiden päästöjä.

"Jos voimme selvittää, kuinka vetyä voidaan valmistaa halvalla ja tehokkaasti, se avaa oven monille pragmaattisille ratkaisuille fossiilivapaille polttoaineille ja kemikaaleille", sanoi Andrew Peterson, Brown's School of Engineeringin apulaisprofessori ja tutkimuksen vanhempi kirjoittaja. . "Vedtyä voidaan käyttää polttokennoissa, yhdistettynä ylimääräiseen hiilidioksidiin polttoaineen valmistukseen tai typen kanssa ammoniakkilannoitteen valmistamiseksi. Vedyllä voidaan tehdä paljon, mutta tehdäksemme veden jakamisesta skaalautuvan vetylähteen, tarvitsemme halvemman katalyytin.

Uusien katalyyttien suunnittelu alkaa ymmärtämällä, mikä tekee platinasta niin erityisen tälle reaktiolle, Peterson sanoo, ja tämä uusi tutkimus pyrki selvittää.

Platinumin menestys on jo pitkään johtunut sen "kultakuitoista" sitovasta energiasta. Ihanteelliset katalyytit pitävät kiinni reagoivista molekyyleistä ei liian löyhästi tai liian tiukasti, vaan jossain keskellä. Sido molekyylit liian löyhästi ja reaktion käynnistäminen on vaikeaa. Sido ne liian tiukasti ja molekyylit tarttuvat katalyytin pintaan, mikä vaikeuttaa reaktion loppuunsaattamista. Vedyn sitoutumisenergia platinassa vain sattuu tasapainottamaan täydellisesti vedenjakamisreaktion kaksi osaa - ja useimmat tutkijat ovat uskoneet, että se on se ominaisuus, joka tekee platinasta niin hyvän.

Mutta oli syytä epäillä, oliko kuva oikea, Peterson sanoo. Esimerkiksi materiaalilla, jota kutsutaan molybdeenidisulfidiksi (MoS2), on samanlainen sitoutumisenergia kuin platinalla, mutta se on kuitenkin paljon huonompi katalysaattori vedenjakoreaktiolle. Tämä viittaa siihen, että sitova energia ei voi olla koko tarina, Peterson sanoo.

Selvittääkseen, mitä oli tapahtumassa, hän ja hänen kollegansa tutkivat vedenjakamisreaktiota platinakatalyyteillä käyttämällä erityistä menetelmää, jonka he kehittivät simuloimaan yksittäisten atomien ja elektronien käyttäytymistä sähkökemiallisissa reaktioissa.

Analyysi osoitti, että vetyatomit, jotka ovat sitoutuneet platinan pintaan "Goldilocks" -sidosenergialla, eivät itse asiassa osallistu reaktioon ollenkaan, kun reaktionopeus on korkea. Sen sijaan ne kätkeytyvät platinan pintakiteiseen kerrokseen, jossa ne pysyvät inertteinä sivustakatsojina. Reaktioon osallistuvat vetyatomit ovat paljon heikommin sitoutuneita kuin oletettu "kultakutri"-energia. Ja sen sijaan, että ne peisivat hilassa, ne istuvat platinaatomien huipulla, missä ne voivat vapaasti kohdata toisensa muodostaen H2-kaasua.

Tutkijat päättelevät, että pinnalla olevien vetyatomien liikkumisvapaus tekee platinasta niin reaktiivisen.

"Tämä kertoo meille, että tämän kultakukon sitovan energian etsiminen ei ole oikea suunnitteluperiaate korkea-aktiiviselle alueelle", Peterson sanoi. "Suosittelemme, että katalyyttien suunnittelu, jotka saattavat vedyn tähän erittäin liikkuvaan ja reaktiiviseen tilaan, on oikea tapa edetä."