Wetenschappers weten al lang dat platina veruit de beste katalysator is voor het splitsen van watermoleculen om waterstofgas te produceren. Een nieuwe studie door onderzoekers van Brown University laat zien waarom platina zo goed werkt – en dat is niet de reden die wordt aangenomen.

Het onderzoek, gepubliceerd in ACS Catalysis, helpt een bijna eeuwenoude onderzoeksvraag op te lossen, zeggen de auteurs. En het zou kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe katalysatoren voor de productie van waterstof die goedkoper en overvloediger zijn dan platina. Dat zou uiteindelijk kunnen helpen bij het terugdringen van de uitstoot van fossiele brandstoffen.

"Als we erachter kunnen komen hoe we waterstof goedkoop en efficiënt kunnen maken, opent dit de deur naar veel pragmatische oplossingen voor fossielvrije brandstoffen en chemicaliën", zegt Andrew Peterson, universitair hoofddocent aan Brown's School of Engineering en senior auteur van het onderzoek. . “Waterstof kan worden gebruikt in brandstofcellen, gecombineerd met overtollig CO2 om brandstof te maken of gecombineerd met stikstof om ammoniakmeststof te maken. We kunnen veel doen met waterstof, maar om van watersplitsing een schaalbare waterstofbron te maken, hebben we een goedkopere katalysator nodig.”

Het ontwerpen van nieuwe katalysatoren begint met begrijpen wat platina zo speciaal maakt voor deze reactie, zegt Peterson, en dat is wat dit nieuwe onderzoek wilde achterhalen.

Het succes van platina wordt al lang toegeschreven aan de 'Goudlokje'-bindende energie. Ideale katalysatoren houden reagerende moleculen niet te los en niet te strak vast, maar ergens in het midden. Bind de moleculen te los en het is moeilijk om een ​​reactie op gang te krijgen. Bind ze te strak en moleculen blijven aan het oppervlak van de katalysator plakken, waardoor een reactie moeilijk te voltooien is. De bindingsenergie van waterstof aan platina brengt toevallig de twee delen van de watersplitsingsreactie perfect in evenwicht - en daarom zijn de meeste wetenschappers van mening dat het juist die eigenschap is die platina zo goed maakt.

Maar er waren redenen om te betwijfelen of dat beeld juist was, zegt Peterson. Een materiaal genaamd molybdeendisulfide (MoS2) heeft bijvoorbeeld een bindingsenergie die vergelijkbaar is met platina, maar is toch een veel slechtere katalysator voor de watersplitsingsreactie. Dat suggereert dat bindende energie niet het volledige verhaal kan zijn, zegt Peterson.

Om erachter te komen wat er gebeurde, bestudeerden hij en zijn collega's de watersplitsingsreactie op platinakatalysatoren met behulp van een speciale methode die ze ontwikkelden om het gedrag van individuele atomen en elektronen in elektrochemische reacties te simuleren.

Uit de analyse bleek dat de waterstofatomen die met de 'Goudlokje'-bindingsenergie aan het oppervlak van platina zijn gebonden, feitelijk helemaal niet aan de reactie deelnemen als de reactiesnelheid hoog is. In plaats daarvan nestelen ze zich in de kristallijne oppervlaktelaag van het platina, waar ze inerte omstanders blijven. De waterstofatomen die wel aan de reactie deelnemen, zijn veel zwakker gebonden dan de veronderstelde ‘Goudlokje’-energie. En in plaats van zich in het rooster te nestelen, zitten ze bovenop de platina-atomen, waar ze vrij zijn om elkaar te ontmoeten om H2-gas te vormen.

Het is die bewegingsvrijheid van waterstofatomen aan het oppervlak die platina zo reactief maakt, concluderen de onderzoekers.

"Wat dit ons vertelt is dat het zoeken naar deze 'Goudlokje'-bindende energie niet het juiste ontwerpprincipe is voor de regio met hoge activiteit,' zei Peterson. “Wij suggereren dat het ontwerpen van katalysatoren die waterstof in deze zeer mobiele en reactieve toestand brengen de beste keuze is.”