A tudósok régóta tudják, hogy a platina messze a legjobb katalizátor a vízmolekulák hidrogéngáz előállításához való hasítására. A Brown Egyetem kutatóinak új tanulmánya megmutatja, miért működik olyan jól a platina – és nem ez az oka annak, amit feltételeztek.

Az ACS Catalysisben megjelent kutatás egy közel évszázados kutatási kérdés megoldásában segít – állítják a szerzők. És segíthet új katalizátorok tervezésében a hidrogén előállításához, amelyek olcsóbbak és bőségesebbek, mint a platina. Ez végső soron segíthet a fosszilis tüzelőanyagok kibocsátásának csökkentésében.

"Ha rájövünk, hogyan állíthatunk elő hidrogént olcsón és hatékonyan, az számos pragmatikus megoldást nyit meg a fosszilis üzemanyagok és vegyszerek terén" - mondta Andrew Peterson, a Brown's School of Engineering docense és a tanulmány vezető szerzője. . „A hidrogén felhasználható az üzemanyagcellákban, a felesleges CO2-vel kombinálva üzemanyagot állíthatunk elő, vagy nitrogénnel kombinálva ammóniás műtrágyát. Sokat tehetünk a hidrogénnel, de ahhoz, hogy a vízhasítást méretezhető hidrogénforrássá tegyük, olcsóbb katalizátorra van szükségünk.”

Az új katalizátorok tervezése azzal kezdődik, hogy megértjük, mi teszi a platinát olyan különlegessé ehhez a reakcióhoz, mondja Peterson, és ennek az új kutatásnak a kiderítésére irányult.

A Platinum sikerét régóta „Aranyhaj” kötőenergiájának tulajdonítják. Az ideális katalizátorok sem túl lazán, sem nem túl szorosan ragaszkodnak a reakcióba lépő molekulákhoz, hanem valahol középen. Túl lazán köti össze a molekulákat, és nehéz beindítani a reakciót. Túl szorosan kösse össze őket, és a molekulák a katalizátor felületéhez tapadnak, ami megnehezíti a reakció befejezését. A hidrogén kötési energiája a platinán véletlenül tökéletesen egyensúlyba hozza a vízfelhasadási reakció két részét – ezért a legtöbb tudós úgy gondolta, hogy ez az a tulajdonság, ami miatt a platina olyan jó.

De voltak okok megkérdőjelezni, hogy ez a kép helyes-e, mondja Peterson. Például a molibdén-diszulfidnak (MoS2) nevezett anyag kötési energiája hasonló a platinához, mégis sokkal rosszabb katalizátor a vízfelosztási reakcióhoz. Ez arra utal, hogy a kötési energia nem lehet a teljes történet, mondja Peterson.

Hogy kiderítse, mi történik, kollégáival platinakatalizátorokon tanulmányozták a vízfelhasadási reakciót egy speciális módszerrel, amelyet az egyes atomok és elektronok elektrokémiai reakciókban való viselkedésének szimulálására fejlesztettek ki.

Az elemzés kimutatta, hogy a hidrogénatomok, amelyek a platina felületéhez az „aranyhaj” kötési energiájánál kötődnek, valójában egyáltalán nem vesznek részt a reakcióban, ha a reakciósebesség nagy. Ehelyett a platina felszíni kristályos rétegébe fészkelődnek be, ahol inert szemlélődők maradnak. A reakcióban részt vevő hidrogénatomok sokkal gyengébb kötődésűek, mint a feltételezett „aranyhaj” energia. És ahelyett, hogy a rácsban fészkelődnének, a platinaatomok tetején ülnek, ahol szabadon találkozhatnak egymással, hogy H2-gázt képezzenek.

A kutatók arra a következtetésre jutottak, hogy a felszínen lévő hidrogénatomok mozgási szabadsága teszi a platinát annyira reaktívvá.

"Ez azt sugallja, hogy ennek az "aranyhaj" kötőenergiának a keresése nem a megfelelő tervezési elv a nagy aktivitású régióban" - mondta Peterson. „Azt javasoljuk, hogy olyan katalizátorokat tervezzünk, amelyek a hidrogént ebbe a rendkívül mozgékony és reaktív állapotba hozzák.”