과학자들은 백금이 물 분자를 분해하여 수소 가스를 생성하는 최고의 촉매제라는 사실을 오랫동안 알고 있었습니다. 브라운 대학 연구원들의 새로운 연구는 백금이 왜 그렇게 잘 작동하는지 보여줍니다. 그러나 그것은 가정된 이유가 아닙니다.

ACS Catalogy에 발표된 이 연구는 거의 100년 된 연구 문제를 해결하는 데 도움이 된다고 저자는 말합니다. 그리고 이는 백금보다 더 저렴하고 풍부한 수소를 생산하기 위한 새로운 촉매를 설계하는 데 도움이 될 수 있습니다. 이는 궁극적으로 화석 연료의 배출을 줄이는 데 도움이 될 수 있습니다.

브라운 공과대학 부교수이자 이번 연구의 수석 저자인 앤드루 피터슨(Andrew Peterson)은 “만약 우리가 수소를 저렴하고 효율적으로 만드는 방법을 알아낸다면 화석연료가 없는 연료와 화학물질을 위한 많은 실용적인 솔루션의 문이 열릴 것”이라고 말했습니다. . “수소는 연료 전지에 사용될 수 있으며, 과잉 CO2와 결합하여 연료를 만들거나 질소와 결합하여 암모니아 비료를 만들 수 있습니다. 수소로 할 수 있는 일은 많지만 물 분해를 확장 가능한 수소 공급원으로 만들려면 더 저렴한 촉매가 필요합니다.”

새로운 촉매를 설계하는 것은 무엇이 백금을 이 반응에서 특별하게 만드는지 이해하는 것에서 시작되며 이것이 바로 이번 새로운 연구가 알아내는 것을 목표로 한다고 Peterson은 말합니다.

플래티넘의 성공은 오랫동안 플래티넘의 "골디락스" 결합 에너지에 기인해 왔습니다. 이상적인 촉매는 반응하는 분자를 너무 느슨하지도 너무 단단하지도 않게, 중간 어딘가에 붙잡고 있습니다. 분자를 너무 느슨하게 결합하면 반응을 시작하기가 어렵습니다. 너무 단단히 결합하면 분자가 촉매 표면에 달라붙어 반응을 완료하기 어렵게 됩니다. 백금에 있는 수소의 결합 에너지는 물 분해 반응의 두 부분의 완벽한 균형을 이루므로 대부분의 과학자들은 이것이 백금을 매우 좋게 만드는 속성이라고 믿어 왔습니다.

그러나 그 그림이 정확한지 의문을 제기할 이유가 있었다고 피터슨은 말했습니다. 예를 들어, 이황화 몰리브덴(MoS2)이라는 물질은 백금과 유사한 결합 에너지를 갖고 있지만 물 분해 반응에서는 훨씬 더 나쁜 촉매제입니다. 이는 결합 에너지가 전체 이야기가 될 수 없음을 의미한다고 Peterson은 말합니다.

무슨 일이 일어나고 있는지 알아보기 위해 그와 그의 동료들은 전기화학 반응에서 개별 원자와 전자의 거동을 시뮬레이션하기 위해 개발한 특별한 방법을 사용하여 백금 촉매에 대한 물 분해 반응을 연구했습니다.

분석 결과, '골디락스' 결합 에너지로 백금 표면에 결합된 수소 원자는 반응 속도가 높을 때 실제로 반응에 전혀 참여하지 않는 것으로 나타났습니다. 대신, 그들은 백금의 표면 결정층 내에 자리잡고 비활성 방관자로 남아 있습니다. 반응에 참여하는 수소 원자는 가정된 "골디락스" 에너지보다 훨씬 더 약하게 결합되어 있습니다. 그리고 격자 안에 자리잡지 않고 백금 원자 위에 앉아 자유롭게 서로 만나 H2 가스를 형성합니다.

연구진은 백금의 반응성을 높이는 것은 표면에 있는 수소 원자의 자유로운 움직임 때문이라고 결론지었습니다.

“이것이 우리에게 말하는 것은 이 '골디락스' 결합 에너지를 찾는 것이 높은 활동 영역에 대한 올바른 설계 원리가 아니라는 것입니다.”라고 Peterson은 말했습니다. "우리는 수소를 이동성과 반응성이 높은 상태로 만드는 촉매를 설계하는 것이 좋은 방법이라고 제안합니다."