Mokslininkai jau seniai žinojo, kad platina yra pats geriausias katalizatorius vandens molekulėms skaidyti, kad susidarytų vandenilio dujos. Naujas Browno universiteto mokslininkų tyrimas parodo, kodėl platina taip gerai veikia, ir tai nėra manoma priežastis.

Tyrimas, paskelbtas ACS Catalysis, padeda išspręsti beveik šimtmečio senumo tyrimo klausimą, teigia autoriai. Ir tai galėtų padėti sukurti naujus vandenilio gamybos katalizatorius, kurie yra pigesni ir gausesni nei platina. Tai galiausiai galėtų padėti sumažinti iškastinio kuro emisijas.

„Jei galime išsiaiškinti, kaip pigiai ir efektyviai pasigaminti vandenilio, tai atvers duris daugybei pragmatiškų sprendimų, susijusių su iškastiniu kuru ir chemikalais“, – sakė Browno inžinerijos mokyklos docentas Andrew Petersonas ir tyrimo vyresnysis autorius. . „Vandenilis gali būti naudojamas kuro elementuose, kartu su CO2 pertekliumi gaminant degalus arba su azotu, kad būtų gaminamos amoniako trąšos. Daug ką galime nuveikti su vandeniliu, tačiau norint, kad vandenį skaidantis vandenilio šaltinis būtų keičiamas dydis, mums reikia pigesnio katalizatoriaus.

Naujų katalizatorių kūrimas prasideda nuo supratimo, kuo platina tokia ypatinga šiai reakcijai, sako Petersonas, ir būtent tai buvo siekiama išsiaiškinti šiuo nauju tyrimu.

Platinos sėkmė ilgą laiką buvo siejama su „Auksaplaukės“ rišimo energija. Idealūs katalizatoriai laikosi reaguojančių molekulių nei per laisvai, nei per stipriai, o kažkur per vidurį. Per laisvai suriškite molekules ir bus sunku pradėti reakciją. Suriškite juos per stipriai ir molekulės prilips prie katalizatoriaus paviršiaus, todėl reakcija gali būti sunkiai užbaigta. Vandenilio surišimo energija ant platinos tiesiog puikiai subalansuoja dvi vandens dalijimosi reakcijos dalis, todėl dauguma mokslininkų manė, kad dėl šios savybės platina yra tokia gera.

Tačiau buvo priežasčių abejoti, ar ta nuotrauka teisinga, sako Petersonas. Pavyzdžiui, medžiagos, vadinamos molibdeno disulfidu (MoS2), surišimo energija yra panaši į platiną, tačiau yra daug blogesnis vandens skaidymo reakcijos katalizatorius. Tai rodo, kad įrišimo energija negali būti visa istorija, sako Petersonas.

Norėdami išsiaiškinti, kas vyksta, jis ir jo kolegos ištyrė vandens skaidymo reakciją ant platinos katalizatorių, naudodami specialų metodą, kurį jie sukūrė, kad imituotų atskirų atomų ir elektronų elgesį elektrocheminėse reakcijose.

Analizė parodė, kad vandenilio atomai, kurie yra surišti su platinos paviršiumi „Auksaplaukės“ surišimo energija, iš tikrųjų visiškai nedalyvauja reakcijoje, kai reakcijos greitis yra didelis. Vietoj to, jie įsitaiso paviršiniame platinos kristaliniame sluoksnyje, kur lieka inertiški pašaliniai stebėtojai. Reakcijoje dalyvaujantys vandenilio atomai yra daug silpniau surišti nei spėjama „Auksaplaukės“ energija. Ir užuot įsitaisę grotelėje, jie sėdi ant platinos atomų, kur gali laisvai susitikti vienas su kitu, kad susidarytų H2 dujos.

Tyrėjai daro išvadą, kad vandenilio atomų judėjimo laisvė paviršiuje daro platiną tokią reaktyvią.

„Tai mums sako, kad šios „auksaplaukės“ rišamosios energijos paieška nėra tinkamas projektavimo principas didelio aktyvumo regionui“, – sakė Petersonas. „Siūlome sukurti katalizatorius, kurie vandenilį patektų į šią labai judrią ir reaktyvią būseną.