Zinātnieki jau sen ir zinājuši, ka platīns ir līdz šim labākais katalizators ūdens molekulu sadalīšanai, lai iegūtu ūdeņraža gāzi. Jauns Brauna universitātes pētnieku pētījums parāda, kāpēc platīns darbojas tik labi, un tas nav iemesls, kas tiek pieņemts.

Pētījums, kas publicēts ACS Catalysis, palīdz atrisināt gandrīz gadsimtu vecu pētījuma jautājumu, saka autori. Un tas varētu palīdzēt izstrādāt jaunus katalizatorus ūdeņraža ražošanai, kas ir lētāki un bagātīgāki nekā platīns. Tas galu galā varētu palīdzēt samazināt fosilā kurināmā radītās emisijas.

"Ja mēs varam izdomāt, kā lēti un efektīvi ražot ūdeņradi, tas paver durvis daudziem pragmatiskiem risinājumiem degvielai un ķimikālijām, kas nesatur fosilo vielu," sacīja Endrjū Pītersons, Brauna Inženierzinātņu skolas asociētais profesors un pētījuma vecākais autors. . “Ūdeņradi var izmantot kurināmā elementos, kopā ar lieko CO2, lai iegūtu degvielu, vai kombinācijā ar slāpekli, lai iegūtu amonjaka mēslojumu. Mēs varam daudz darīt ar ūdeņradi, taču, lai ūdens sadalīšana kļūtu par mērogojamu ūdeņraža avotu, mums ir nepieciešams lētāks katalizators.

Jaunu katalizatoru izstrāde sākas ar izpratni par to, kas padara platīnu tik īpašu šai reakcijai, saka Pētersons, un tas ir tas, ko šī jaunā pētījuma mērķis bija noskaidrot.

Platīna panākumi jau sen tiek attiecināti uz tā “Zelta šķipsnas” saistošo enerģiju. Ideāli katalizatori turas pie reaģējošām molekulām ne pārāk brīvi, ne pārāk cieši, bet kaut kur pa vidu. Saistiet molekulas pārāk brīvi, un ir grūti sākt reakciju. Sasaistiet tos pārāk cieši, un molekulas pielīp pie katalizatora virsmas, apgrūtinot reakciju. Ūdeņraža saistīšanas enerģija uz platīna vienkārši lieliski līdzsvaro abas ūdens sadalīšanas reakcijas daļas, un tāpēc lielākā daļa zinātnieku ir uzskatījuši, ka tas ir tas atribūts, kas padara platīnu tik labu.

Taču bija iemesli apšaubīt, vai šis attēls bija pareizs, saka Pētersons. Piemēram, materiālam, ko sauc par molibdēna disulfīdu (MoS2), saistīšanas enerģija ir līdzīga platīnam, tomēr tas ir daudz sliktāks katalizators ūdens sadalīšanas reakcijai. Tas liek domāt, ka saistošā enerģija nevar būt viss stāsts, saka Pētersons.

Lai noskaidrotu, kas notiek, viņš un viņa kolēģi pētīja ūdens sadalīšanas reakciju uz platīna katalizatoriem, izmantojot īpašu metodi, ko viņi izstrādāja, lai modelētu atsevišķu atomu un elektronu uzvedību elektroķīmiskās reakcijās.

Analīze parādīja, ka ūdeņraža atomi, kas ir saistīti ar platīna virsmu ar “Zelta šķipsnas” saistīšanas enerģiju, patiesībā nemaz nepiedalās reakcijā, ja reakcijas ātrums ir augsts. Tā vietā tie atrodas platīna virsmas kristāliskajā slānī, kur paliek inerti apkārtējie. Ūdeņraža atomi, kas piedalās reakcijā, ir daudz vājāk saistīti nekā domājamā “zelta cirtņa” enerģija. Un tā vietā, lai ligzdotu režģī, tie atrodas virs platīna atomiem, kur tie var brīvi satikties viens ar otru, veidojot H2 gāzi.

Pētnieki secina, ka ūdeņraža atomu kustības brīvība uz virsmas padara platīnu tik reaktīvu.

"Tas mums liecina, ka šīs" Zelta plaukstas" saistošās enerģijas meklēšana nav pareizais dizaina princips augstas aktivitātes reģionam, " sacīja Pētersons. "Mēs iesakām izstrādāt katalizatorus, kas ievieto ūdeņradi šajā ļoti mobilajā un reaktīvā stāvoklī."