Para ilmuwan telah lama mengetahui bahwa platinum sejauh ini merupakan katalis terbaik untuk memecah molekul air untuk menghasilkan gas hidrogen. Sebuah studi baru yang dilakukan oleh peneliti Brown University menunjukkan mengapa platinum bekerja dengan sangat baik—dan itu bukanlah alasan yang selama ini diasumsikan.

Penelitian yang dipublikasikan di ACS Catalysis ini membantu menjawab pertanyaan penelitian yang sudah berusia hampir satu abad, kata para penulis. Dan hal ini dapat membantu dalam merancang katalis baru untuk memproduksi hidrogen yang lebih murah dan lebih banyak dibandingkan platinum. Hal ini pada akhirnya dapat membantu mengurangi emisi bahan bakar fosil.

“Jika kita dapat menemukan cara untuk membuat hidrogen dengan murah dan efisien, hal ini akan membuka pintu bagi banyak solusi pragmatis untuk bahan bakar dan bahan kimia bebas fosil,” kata Andrew Peterson, seorang profesor di Brown's School of Engineering dan penulis senior studi tersebut. . “Hidrogen dapat digunakan dalam sel bahan bakar, dikombinasikan dengan kelebihan CO2 untuk membuat bahan bakar atau dikombinasikan dengan nitrogen untuk membuat pupuk amonia. Ada banyak hal yang dapat kita lakukan dengan hidrogen, namun untuk membuat pemisahan air menjadi sumber hidrogen yang terukur, kita memerlukan katalis yang lebih murah.”

Merancang katalis baru dimulai dengan memahami apa yang membuat platinum begitu istimewa untuk reaksi ini, kata Peterson, dan itulah yang ingin diketahui oleh penelitian baru ini.

Kesuksesan Platinum telah lama dikaitkan dengan energi pengikat “Goldilocks” yang dimilikinya. Katalis ideal menahan molekul-molekul yang bereaksi tidak terlalu longgar atau terlalu rapat, namun berada di tengah-tengah. Mengikat molekul terlalu longgar dan sulit untuk memulai reaksi. Mengikatnya terlalu erat akan menyebabkan molekul menempel pada permukaan katalis, sehingga reaksi sulit diselesaikan. Energi pengikatan hidrogen pada platina menyeimbangkan dua bagian reaksi pemisahan air dengan sempurna—sehingga sebagian besar ilmuwan percaya bahwa sifat itulah yang menjadikan platina begitu baik.

Namun ada alasan untuk mempertanyakan apakah gambaran itu benar, kata Peterson. Misalnya, bahan yang disebut molibdenum disulfida (MoS2) memiliki energi pengikatan serupa dengan platina, namun merupakan katalis yang jauh lebih buruk untuk reaksi pemisahan air. Hal ini menunjukkan bahwa energi pengikat bukanlah keseluruhan cerita, kata Peterson.

Untuk mengetahui apa yang terjadi, ia dan rekan-rekannya mempelajari reaksi pemisahan air pada katalis platina menggunakan metode khusus yang mereka kembangkan untuk mensimulasikan perilaku atom dan elektron individu dalam reaksi elektrokimia.

Analisis menunjukkan bahwa atom hidrogen yang terikat pada permukaan platina dengan energi pengikatan “Goldilocks” tidak berpartisipasi sama sekali dalam reaksi ketika laju reaksi tinggi. Sebaliknya, mereka bersarang di dalam lapisan kristal permukaan platinum, di mana mereka tetap menjadi pengamat yang lembam. Atom hidrogen yang berpartisipasi dalam reaksi memiliki ikatan yang jauh lebih lemah dibandingkan dengan energi “Goldilocks”. Dan alih-alih bersarang di dalam kisi, mereka berada di atas atom platinum, tempat mereka bebas bertemu satu sama lain untuk membentuk gas H2.

Kebebasan bergerak atom hidrogen di permukaan itulah yang membuat platina sangat reaktif, para peneliti menyimpulkan.

“Hal ini menunjukkan bahwa mencari energi pengikat 'Goldilocks' bukanlah prinsip desain yang tepat untuk wilayah dengan aktivitas tinggi,” kata Peterson. “Kami menyarankan merancang katalis yang menjadikan hidrogen dalam keadaan sangat mobile dan reaktif adalah cara yang tepat.”