Forskare har länge vetat att platina är den överlägset bästa katalysatorn för att klyva vattenmolekyler för att producera vätgas. En ny studie av Brown University-forskare visar varför platina fungerar så bra - och det är inte anledningen som har antagits.

Forskningen, publicerad i ACS Catalysis, hjälper till att lösa en nästan sekelgammal forskningsfråga, säger författarna. Och det kan hjälpa till att designa nya katalysatorer för att producera väte som är billigare och mer rikligt än platina. Det kan i slutändan bidra till att minska utsläppen från fossila bränslen.

"Om vi ​​kan ta reda på hur man gör väte billigt och effektivt öppnar det dörren till många pragmatiska lösningar för fossilfria bränslen och kemikalier", säger Andrew Peterson, docent vid Browns School of Engineering och studiens seniorförfattare. . – Väte kan användas i bränsleceller, kombinerat med överskott av CO2 för att göra bränsle eller kombinerat med kväve för att göra ammoniakgödsel. Det finns mycket vi kan göra med väte, men för att göra vattenklyvning till en skalbar vätekälla behöver vi en billigare katalysator.”

Att designa nya katalysatorer börjar med att förstå vad som gör platina så speciellt för denna reaktion, säger Peterson, och det är vad den här nya forskningen syftar till att ta reda på.

Platinums framgång har länge tillskrivits dess "Goldilocks" bindningsenergi. Idealiska katalysatorer håller fast vid reagerande molekyler varken för löst eller för tätt, utan någonstans i mitten. Bind molekylerna för löst och det är svårt att få igång en reaktion. Bind dem för hårt och molekyler fastnar på katalysatorns yta, vilket gör en reaktion svår att slutföra. Den bindande energin av väte på platina råkar bara perfekt balansera de två delarna av den vattensplittande reaktionen - och så de flesta forskare har trott att det är den egenskapen som gör platina så bra.

Men det fanns skäl att ifrågasätta om den bilden stämde, säger Peterson. Till exempel har ett material som kallas molybdendisulfid (MoS2) en bindningsenergi som liknar platina, men är ändå en mycket sämre katalysator för vattenuppdelningsreaktionen. Det tyder på att bindande energi inte kan vara hela historien, säger Peterson.

För att ta reda på vad som hände studerade han och hans kollegor vattensönderdelningsreaktionen på platinakatalysatorer med en speciell metod som de utvecklade för att simulera beteendet hos enskilda atomer och elektroner i elektrokemiska reaktioner.

Analysen visade att väteatomerna som är bundna till ytan av platina vid "Goldilocks" bindningsenergin faktiskt inte deltar i reaktionen alls när reaktionshastigheten är hög. Istället nästlar de sig in i det kristallina ytskiktet av platina, där de förblir inerta åskådare. Väteatomerna som deltar i reaktionen är mycket svagare bundna än den förmodade "Goldilocks"-energin. Och snarare än att nästla sig i gittret, sitter de ovanpå platinaatomerna, där de är fria att mötas med varandra för att bilda H2-gas.

Det är den rörelsefriheten för väteatomer på ytan som gör platina så reaktiv, avslutar forskarna.

"Vad detta säger oss är att leta efter denna "Goldilocks" bindande energi inte är rätt designprincip för högaktivitetsregionen, säger Peterson. "Vi föreslår att design av katalysatorer som sätter väte i detta mycket mobila och reaktiva tillstånd är vägen att gå."