Forskere har lenge visst at platina er den desidert beste katalysatoren for å spalte vannmolekyler for å produsere hydrogengass. En ny studie fra Brown University-forskere viser hvorfor platina fungerer så bra - og det er ikke grunnen som har blitt antatt.

Forskningen, publisert i ACS Catalysis, bidrar til å løse et nesten hundre år gammelt forskningsspørsmål, sier forfatterne. Og det kan hjelpe til med å designe nye katalysatorer for å produsere hydrogen som er billigere og mer rikelig enn platina. Det kan til syvende og sist bidra til å redusere utslipp fra fossilt brensel.

"Hvis vi kan finne ut hvordan vi kan lage hydrogen billig og effektivt, åpner det døren for mange pragmatiske løsninger for fossilfrie drivstoff og kjemikalier," sa Andrew Peterson, førsteamanuensis ved Browns School of Engineering og studiens seniorforfatter. . Hydrogen kan brukes i brenselceller, kombinert med overflødig CO2 for å lage drivstoff eller kombinert med nitrogen for å lage ammoniakkgjødsel. Det er mye vi kan gjøre med hydrogen, men for å gjøre vannsplitting til en skalerbar hydrogenkilde trenger vi en billigere katalysator.»

Å designe nye katalysatorer starter med å forstå hva som gjør platina så spesiell for denne reaksjonen, sier Peterson, og det var det denne nye forskningen hadde som mål å finne ut.

Platinums suksess har lenge blitt tilskrevet dens "Goldilocks"-bindende energi. Ideelle katalysatorer holder på reagerende molekyler verken for løst eller for tett, men et sted i midten. Bind molekylene for løst og det er vanskelig å få i gang en reaksjon. Bind dem for tett og molekyler fester seg til katalysatorens overflate, noe som gjør en reaksjon vanskelig å fullføre. Bindingsenergien til hydrogen på platina tilfeldigvis balanserer de to delene av vannsplittende reaksjon perfekt – og derfor har de fleste forskere trodd at det er denne egenskapen som gjør platina så bra.

Men det var grunn til å stille spørsmål ved om det bildet var riktig, sier Peterson. For eksempel har et materiale kalt molybdendisulfid (MoS2) en bindingsenergi som ligner på platina, men er en langt dårligere katalysator for vannsplittende reaksjon. Det antyder at bindingsenergi ikke kan være hele historien, sier Peterson.

For å finne ut hva som skjedde, studerte han og kollegene vannsplittingsreaksjonen på platinakatalysatorer ved å bruke en spesiell metode de utviklet for å simulere oppførselen til individuelle atomer og elektroner i elektrokjemiske reaksjoner.

Analysen viste at hydrogenatomene som er bundet til overflaten av platina ved "Goldilocks"-bindingsenergien faktisk ikke deltar i reaksjonen i det hele tatt når reaksjonshastigheten er høy. I stedet legger de seg i det krystallinske overflatelaget av platina, hvor de forblir inerte tilskuere. Hydrogenatomene som deltar i reaksjonen er langt svakere bundet enn den antatte "Gulllokk"-energien. Og i stedet for å legge seg i gitteret, sitter de på toppen av platinaatomene, hvor de står fritt til å møte hverandre for å danne H2-gass.

Det er den bevegelsesfriheten for hydrogenatomer på overflaten som gjør platina så reaktiv, konkluderer forskerne.

"Det dette forteller oss er at det å lete etter denne 'Goldlocks'-bindende energien ikke er det riktige designprinsippet for høyaktivitetsområdet," sa Peterson. "Vi foreslår at å designe katalysatorer som setter hydrogen i denne svært mobile og reaktive tilstanden er veien å gå."