Naukowcy od dawna wiedzą, że platyna jest zdecydowanie najlepszym katalizatorem rozszczepiania cząsteczek wody w celu wytworzenia gazowego wodoru. Nowe badanie przeprowadzone przez naukowców z Brown University pokazuje, dlaczego platyna działa tak dobrze – i nie jest to powód, dla którego tak zakładano.

Autorzy twierdzą, że badania opublikowane w ACS Catalytics pomagają rozwiązać prawie stuletni problem badawczy. Może także pomóc w zaprojektowaniu nowych katalizatorów do produkcji wodoru, które będą tańsze i dostępne w większej ilości niż platyna. Może to ostatecznie pomóc w ograniczeniu emisji z paliw kopalnych.

„Jeśli wymyślimy, jak tanio i wydajnie wytwarzać wodór, otworzy to drzwi do wielu pragmatycznych rozwiązań w zakresie paliw i chemikaliów niekopalnych” – powiedział Andrew Peterson, profesor nadzwyczajny w Brown's School of Engineering i starszy autor badania . „Wodór można stosować w ogniwach paliwowych w połączeniu z nadmiarem CO2 do produkcji paliwa lub w połączeniu z azotem do produkcji nawozu amoniakalnego. Wiele możemy zrobić z wodorem, ale aby rozszczepienie wody stało się skalowalnym źródłem wodoru, potrzebujemy tańszego katalizatora”.

Projektowanie nowych katalizatorów rozpoczyna się od zrozumienia, dlaczego platyna jest tak wyjątkowa w tej reakcji, mówi Peterson, i właśnie to miało na celu ustalenie tego nowego badania.

Sukces Platinum od dawna przypisywano energii wiązania „Złotowłosej”. Idealne katalizatory trzymają się reagujących cząsteczek ani zbyt luźno, ani zbyt mocno, ale gdzieś pośrodku. Wiążą cząsteczki zbyt luźno i trudno jest rozpocząć reakcję. Zwiążą je zbyt mocno i cząsteczki przykleją się do powierzchni katalizatora, utrudniając dokończenie reakcji. Tak się składa, że ​​energia wiązania wodoru z platyną doskonale równoważy dwie części reakcji rozszczepiania wody — dlatego większość naukowców uważa, że ​​to właśnie ta cecha sprawia, że ​​platyna jest tak dobra.

Peterson twierdzi jednak, że istniały powody, aby wątpić w słuszność tego obrazu. Na przykład materiał zwany dwusiarczkiem molibdenu (MoS2) ma energię wiązania podobną do platyny, ale jest znacznie gorszym katalizatorem reakcji rozszczepiania wody. To sugeruje, że energia wiązania to nie wszystko, mówi Peterson.

Aby dowiedzieć się, co się dzieje, on i jego koledzy badali reakcję rozszczepiania wody na katalizatorach platynowych, stosując specjalną metodę, którą opracowali w celu symulacji zachowania poszczególnych atomów i elektronów w reakcjach elektrochemicznych.

Analiza wykazała, że ​​atomy wodoru związane z powierzchnią platyny przy energii wiązania „Złotowłosej” w rzeczywistości w ogóle nie uczestniczą w reakcji, gdy szybkość reakcji jest wysoka. Zamiast tego zagnieżdżają się w powierzchniowej krystalicznej warstwie platyny, gdzie pozostają obojętnymi obserwatorami. Atomy wodoru biorące udział w reakcji są znacznie słabiej związane niż przypuszczalna energia „Złotowłosej”. Zamiast zagnieżdżać się w sieci, siedzą na szczycie atomów platyny, gdzie mogą się ze sobą spotykać, tworząc gazowy H2.

Naukowcy podsumowują, że to swoboda ruchu atomów wodoru na powierzchni sprawia, że ​​platyna jest tak reaktywna.

„To nam mówi, że szukanie energii wiązania typu Złotowłosa nie jest właściwą zasadą projektowania w przypadku regionu o wysokiej aktywności” – powiedział Peterson. „Sugerujemy, że najlepszym rozwiązaniem będzie zaprojektowanie katalizatorów, które wprowadzają wodór w ten wysoce mobilny i reaktywny stan”.