Gli scienziati sanno da tempo che il platino è di gran lunga il miglior catalizzatore per scindere le molecole d’acqua per produrre idrogeno gassoso. Un nuovo studio condotto da ricercatori della Brown University mostra perché il platino funziona così bene, e non è il motivo per cui si è ipotizzato.

La ricerca, pubblicata su ACS Catalysis, aiuta a risolvere una questione di ricerca vecchia di quasi un secolo, affermano gli autori. E potrebbe aiutare a progettare nuovi catalizzatori per la produzione di idrogeno che siano più economici e più abbondanti del platino. Ciò potrebbe in definitiva aiutare a ridurre le emissioni dei combustibili fossili.

“Se riusciamo a capire come produrre idrogeno in modo economico ed efficiente, ciò aprirà la porta a molte soluzioni pragmatiche per combustibili e prodotti chimici non fossili”, ha affermato Andrew Peterson, professore associato alla Brown’s School of Engineering e autore senior dello studio. . “L’idrogeno può essere utilizzato nelle celle a combustibile, combinato con l’eccesso di CO2 per produrre carburante o combinato con l’azoto per produrre fertilizzante ammoniacale. C’è molto che possiamo fare con l’idrogeno, ma per rendere la scissione dell’acqua una fonte di idrogeno scalabile, abbiamo bisogno di un catalizzatore più economico”.

La progettazione di nuovi catalizzatori inizia con la comprensione di ciò che rende il platino così speciale per questa reazione, afferma Peterson, ed è ciò che questa nuova ricerca mirava a capire.

Il successo del platino è stato a lungo attribuito alla sua energia legante “Riccioli d'oro”. I catalizzatori ideali trattengono le molecole reagenti né troppo liberamente né troppo strettamente, ma da qualche parte nel mezzo. Legare le molecole in modo troppo lasco ed è difficile avviare una reazione. Legandoli troppo strettamente, le molecole si attaccano alla superficie del catalizzatore, rendendo difficile il completamento della reazione. L'energia di legame dell'idrogeno sul platino sembra bilanciare perfettamente le due parti della reazione di scissione dell'acqua, e quindi la maggior parte degli scienziati ha creduto che fosse questo attributo a rendere il platino così buono.

Ma c’erano ragioni per dubitare che quell’immagine fosse corretta, dice Peterson. Ad esempio, un materiale chiamato disolfuro di molibdeno (MoS2) ha un’energia di legame simile al platino, ma è un catalizzatore molto peggiore per la reazione di scissione dell’acqua. Ciò suggerisce che l’energia vincolante non può essere la storia completa, dice Peterson.

Per scoprire cosa stava succedendo, lui e i suoi colleghi hanno studiato la reazione di scissione dell'acqua sui catalizzatori al platino utilizzando un metodo speciale sviluppato per simulare il comportamento dei singoli atomi ed elettroni nelle reazioni elettrochimiche.

L'analisi ha dimostrato che gli atomi di idrogeno legati alla superficie del platino con l'energia di legame “Riccioli d'oro” in realtà non partecipano affatto alla reazione quando la velocità di reazione è elevata. Invece, si annidano nello strato cristallino superficiale del platino, dove rimangono spettatori inerti. Gli atomi di idrogeno che partecipano alla reazione sono molto più debolmente legati rispetto alla presunta energia dei “Riccioli d’Oro”. E invece di annidarsi nel reticolo, si siedono sopra gli atomi di platino, dove sono liberi di incontrarsi tra loro per formare il gas H2.

È la libertà di movimento degli atomi di idrogeno sulla superficie che rende il platino così reattivo, concludono i ricercatori.

"Ciò che questo ci dice è che la ricerca di questa energia legante 'Riccioli d'oro' non è il giusto principio di progettazione per la regione ad alta attività", ha detto Peterson. “Suggeriamo che la strada da percorrere sia la progettazione di catalizzatori che mettono l’idrogeno in questo stato altamente mobile e reattivo”.