Ученым давно известно, что платина на сегодняшний день является лучшим катализатором расщепления молекул воды с получением газообразного водорода. Новое исследование исследователей из Университета Брауна показывает, почему платина работает так хорошо, и это не та причина, которая предполагалась.

По словам авторов, исследование, опубликованное в журнале ACS Catalysis, помогает решить исследовательский вопрос почти столетней давности. И это может помочь в разработке новых катализаторов для производства водорода, которые дешевле и многочисленнее, чем платина. В конечном итоге это может помочь сократить выбросы от ископаемого топлива.

«Если мы сможем выяснить, как производить водород дешево и эффективно, это откроет двери для множества прагматичных решений для использования неископаемого топлива и химикатов», — сказал Эндрю Петерсон, доцент Инженерной школы Брауна и старший автор исследования. . «Водород можно использовать в топливных элементах в сочетании с избытком CO2 для производства топлива или в сочетании с азотом для производства аммиачных удобрений. Мы можем многое сделать с водородом, но чтобы сделать воду, расщепляющую воду, масштабируемым источником водорода, нам нужен более дешевый катализатор».

По словам Петерсона, разработка новых катализаторов начинается с понимания того, что делает платину такой особенной для этой реакции, и именно это новое исследование и стремилось выяснить.

Успех платины долгое время объяснялся ее связывающей энергией «Златовласки». Идеальные катализаторы удерживают реагирующие молекулы не слишком слабо и не слишком плотно, а где-то посередине. Связывайте молекулы слишком слабо, и реакцию начать будет трудно. Свяжите их слишком сильно, и молекулы прилипнут к поверхности катализатора, что затруднит завершение реакции. Энергия связи водорода с платиной идеально уравновешивает две части реакции расщепления воды, и поэтому большинство ученых считают, что именно это свойство делает платину такой хорошей.

Но были причины сомневаться в правильности этой картины, говорит Петерсон. Например, материал под названием дисульфид молибдена (MoS2) имеет энергию связи, аналогичную платине, но является гораздо худшим катализатором реакции расщепления воды. Это говорит о том, что энергия связи не может быть полной историей, говорит Петерсон.

Чтобы выяснить, что происходит, он и его коллеги изучили реакцию расщепления воды на платиновых катализаторах, используя разработанный ими специальный метод для моделирования поведения отдельных атомов и электронов в электрохимических реакциях.

Анализ показал, что атомы водорода, связанные с поверхностью платины при энергии связи «Златовласки», фактически вообще не участвуют в реакции при высокой скорости реакции. Вместо этого они располагаются внутри поверхностного кристаллического слоя платины, где остаются инертными наблюдателями. Атомы водорода, которые действительно участвуют в реакции, связаны гораздо слабее, чем предполагаемая энергия «Златовласки». И вместо того, чтобы прятаться в решетке, они располагаются на атомах платины, где они могут свободно встречаться друг с другом, образуя газ H2.

Исследователи заключают, что именно свобода движения атомов водорода на поверхности делает платину такой реакционной.

«Это говорит нам о том, что поиск этой связывающей энергии «Златовласки» не является правильным принципом проектирования для области высокой активности», — сказал Петерсон. «Мы полагаем, что разработка катализаторов, которые переводят водород в это высокомобильное и реакционноспособное состояние, — это путь».