Vedci už dlho vedia, že platina je zďaleka najlepším katalyzátorom na štiepenie molekúl vody za vzniku plynného vodíka. Nová štúdia výskumníkov z Brown University ukazuje, prečo platina funguje tak dobre – a nie je to dôvod, ktorý sa predpokladal.

Výskum publikovaný v ACS Catalysis pomáha vyriešiť takmer storočnú výskumnú otázku, hovoria autori. A mohlo by to pomôcť pri navrhovaní nových katalyzátorov na výrobu vodíka, ktoré sú lacnejšie a bohatšie ako platina. To by v konečnom dôsledku mohlo pomôcť pri znižovaní emisií z fosílnych palív.

„Ak dokážeme prísť na to, ako vyrobiť vodík lacno a efektívne, otvorí to dvere mnohým pragmatickým riešeniam pre bezfosílne palivá a chemikálie,“ povedal Andrew Peterson, docent na Brown's School of Engineering a hlavný autor štúdie. . „Vodík možno použiť v palivových článkoch v kombinácii s prebytkom CO2 na výrobu paliva alebo v kombinácii s dusíkom na výrobu amoniakálneho hnojiva. S vodíkom môžeme urobiť veľa, ale na to, aby sa voda z štiepenia stala škálovateľným zdrojom vodíka, potrebujeme lacnejší katalyzátor.“

Navrhovanie nových katalyzátorov začína pochopením toho, čo robí platinu takou výnimočnou pre túto reakciu, hovorí Peterson, a to je cieľ tohto nového výskumu zistiť.

Úspech Platiny sa už dlho pripisuje jej väzbovej energii „Zlatovláska“. Ideálne katalyzátory nedržia na reagujúcich molekulách ani príliš voľne, ani príliš tesne, ale niekde uprostred. Spojte molekuly príliš voľne a je ťažké spustiť reakciu. Spojte ich príliš pevne a molekuly sa prilepia na povrch katalyzátora, čo sťažuje dokončenie reakcie. Väzbová energia vodíka na platine náhodou dokonale vyvažuje dve časti reakcie rozdeľovania vody – a tak väčšina vedcov verí, že práve táto vlastnosť robí platinu tak dobrou.

Ale existovali dôvody na otázku, či je tento obrázok správny, hovorí Peterson. Napríklad materiál nazývaný sulfid molybdénu (MoS2) má väzbovú energiu podobnú platine, ale je oveľa horším katalyzátorom reakcie štiepenia vody. To naznačuje, že väzbová energia nemôže byť úplný príbeh, hovorí Peterson.

Aby zistil, čo sa deje, študoval s kolegami reakciu štiepenia vody na platinových katalyzátoroch pomocou špeciálnej metódy, ktorú vyvinuli na simuláciu správania jednotlivých atómov a elektrónov pri elektrochemických reakciách.

Analýza ukázala, že atómy vodíka, ktoré sú viazané na povrch platiny väzbovou energiou „Goldilock“, sa v skutočnosti vôbec nezúčastňujú reakcie, keď je rýchlosť reakcie vysoká. Namiesto toho sa uhniezdia v povrchovej kryštalickej vrstve platiny, kde zostávajú inertnými okoloidúcimi. Atómy vodíka, ktoré sa zúčastňujú reakcie, sú oveľa slabšie viazané ako predpokladaná energia „Zlatovlásky“. A namiesto toho, aby sa uhniezdili v mriežke, sedia na atómoch platiny, kde sa môžu navzájom stretávať a vytvárať plyn H2.

Vedci uzatvárajú, že vďaka voľnosti pohybu atómov vodíka na povrchu je platina taká reaktívna.

"To nám hovorí, že hľadanie tejto väzbovej energie 'Zlatovlásky' nie je tým správnym princípom dizajnu pre oblasť s vysokou aktivitou," povedal Peterson. "Navrhujeme, že navrhnutie katalyzátorov, ktoré uvedú vodík do tohto vysoko mobilného a reaktívneho stavu, je cesta."