Znanstveniki že dolgo vedo, da je platina daleč najboljši katalizator za cepitev molekul vode za proizvodnjo vodikovega plina. Nova študija raziskovalcev Univerze Brown kaže, zakaj platina deluje tako dobro – in to ni domnevni razlog.

Raziskava, objavljena v ACS Catalysis, pomaga rešiti skoraj stoletje staro raziskovalno vprašanje, pravijo avtorji. In lahko bi pomagal pri oblikovanju novih katalizatorjev za proizvodnjo vodika, ki so cenejši in izdatnejši od platine. To bi lahko na koncu pomagalo zmanjšati emisije iz fosilnih goriv.

"Če lahko ugotovimo, kako narediti vodik poceni in učinkovito, to odpre vrata številnim pragmatičnim rešitvam za brezfosilna goriva in kemikalije," je dejal Andrew Peterson, izredni profesor na Brown's School of Engineering in glavni avtor študije. . »Vodik se lahko uporablja v gorivnih celicah, v kombinaciji s presežkom CO2 za proizvodnjo goriva ali v kombinaciji z dušikom za izdelavo gnojila iz amoniaka. Z vodikom lahko naredimo veliko, a da bi cepitev vode postala razširljiv vir vodika, potrebujemo cenejši katalizator.«

Načrtovanje novih katalizatorjev se začne z razumevanjem, zakaj je platina tako posebna za to reakcijo, pravi Peterson, in to je cilj te nove raziskave ugotoviti.

Uspeh Platinuma se že dolgo pripisuje njegovi vezni energiji "Zlatolaska". Idealni katalizatorji se držijo reagirajočih molekul niti preohlapno niti pretesno, ampak nekje na sredini. Molekule vežejo preohlapno in težko je sprožiti reakcijo. Povežite jih premočno in molekule se prilepijo na površino katalizatorja, kar oteži dokončanje reakcije. Energija vezave vodika na platino popolnoma uravnoteži oba dela reakcije cepitve vode – in zato je večina znanstvenikov verjela, da je platina tako dobra zaradi te lastnosti.

Toda obstajali so razlogi za dvom, ali je ta slika pravilna, pravi Peterson. Na primer, material, imenovan molibdenov disulfid (MoS2), ima vezavno energijo podobno platini, vendar je veliko slabši katalizator za reakcijo cepitve vode. To nakazuje, da vezna energija ne more biti popolna zgodba, pravi Peterson.

Da bi ugotovil, kaj se dogaja, je s kolegi preučeval reakcijo cepitve vode na platinastih katalizatorjih s posebno metodo, ki so jo razvili za simulacijo obnašanja posameznih atomov in elektronov v elektrokemičnih reakcijah.

Analiza je pokazala, da vodikovi atomi, ki so vezani na površino platine z vezavno energijo "Zlatolaska", pravzaprav sploh ne sodelujejo pri reakciji, ko je hitrost reakcije visoka. Namesto tega se ugnezdijo v površinsko kristalno plast platine, kjer ostanejo inertni opazovalci. Atomi vodika, ki sodelujejo v reakciji, so veliko bolj šibko vezani kot domnevna energija "Zlatolaska". In namesto da bi se gnezdili v rešetki, sedijo na vrhu atomov platine, kjer se prosto srečajo drug z drugim in tvorijo plin H2.

Zaradi svobode gibanja vodikovih atomov na površini je platina tako reaktivna, zaključujejo raziskovalci.

"To nam pove, da iskanje te vezne energije 'Zlatolaska' ni pravo načelo načrtovanja za regijo z visoko aktivnostjo," je dejal Peterson. "Predlagamo, da je načrtovanje katalizatorjev, ki vodik postavijo v to zelo mobilno in reaktivno stanje, prava pot."