นักวิทยาศาสตร์รู้มานานแล้วว่าแพลทินัมเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่ดีที่สุดในการแยกโมเลกุลของน้ำเพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจน การศึกษาใหม่โดยนักวิจัยของมหาวิทยาลัยบราวน์แสดงให้เห็นว่าเหตุใดแพลทินัมจึงทำงานได้ดี และนั่นไม่ใช่เหตุผลที่ถูกสันนิษฐานไว้

งานวิจัยที่ตีพิมพ์ใน ACS Catalysis ช่วยในการตอบคำถามวิจัยที่มีมาเกือบศตวรรษ ผู้เขียนกล่าว และสามารถช่วยในการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่สำหรับการผลิตไฮโดรเจนที่มีราคาถูกกว่าและมีปริมาณมากกว่าแพลตตินัม ซึ่งท้ายที่สุดแล้วจะช่วยลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจกจากเชื้อเพลิงฟอสซิลได้

แอนดรูว์ ปีเตอร์สัน รองศาสตราจารย์จากคณะวิศวกรรมศาสตร์บราวน์และผู้เขียนอาวุโสของการศึกษานี้ กล่าวว่า หากเราสามารถหาวิธีสร้างไฮโดรเจนได้ในราคาถูกและมีประสิทธิภาพ ก็จะเปิดประตูสู่วิธีแก้ปัญหาเชิงปฏิบัติมากมายสำหรับเชื้อเพลิงและสารเคมีที่ปราศจากฟอสซิล . “ไฮโดรเจนสามารถนำมาใช้ในเซลล์เชื้อเพลิงรวมกับคาร์บอนไดออกไซด์ส่วนเกินเพื่อสร้างเชื้อเพลิงหรือรวมกับไนโตรเจนเพื่อสร้างปุ๋ยแอมโมเนีย เราสามารถทำอะไรได้มากมายกับไฮโดรเจน แต่เพื่อให้น้ำแยกแหล่งไฮโดรเจนที่ปรับขนาดได้ เราจำเป็นต้องมีตัวเร่งปฏิกิริยาที่ถูกกว่า”

การออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่เริ่มต้นด้วยการทำความเข้าใจว่าอะไรทำให้แพลตตินัมมีความพิเศษสำหรับปฏิกิริยานี้ Peterson กล่าว และนั่นคือสิ่งที่งานวิจัยใหม่นี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อค้นหา

ความสำเร็จของ Platinum มีสาเหตุมาจากพลังงานผูกมัดของ "Goldilocks" มานานแล้ว ตัวเร่งปฏิกิริยาในอุดมคติจะยึดโมเลกุลที่ทำปฏิกิริยาไว้ไม่หลวมหรือแน่นจนเกินไป แต่อยู่ตรงกลาง พันธะโมเลกุลหลวมเกินไปและทำให้เกิดปฏิกิริยาได้ยาก มัดแน่นเกินไปและโมเลกุลเกาะติดกับพื้นผิวของตัวเร่งปฏิกิริยา ทำให้เกิดปฏิกิริยาได้ยาก พลังงานยึดเหนี่ยวของไฮโดรเจนบนแพลตตินัมเกิดขึ้นเพื่อสร้างสมดุลของปฏิกิริยาการแยกน้ำทั้งสองส่วนได้อย่างสมบูรณ์แบบ และนักวิทยาศาสตร์ส่วนใหญ่เชื่อว่าคุณลักษณะดังกล่าวทำให้แพลตตินัมมีคุณภาพดีมาก

แต่มีเหตุผลที่ต้องสงสัยว่าภาพนั้นถูกต้องหรือไม่ Peterson กล่าว ตัวอย่างเช่น วัสดุที่เรียกว่าโมลิบดีนัมไดซัลไฟด์ (MoS2) มีพลังงานยึดเหนี่ยวคล้ายกับแพลตตินัม แต่เป็นตัวเร่งปฏิกิริยาที่แย่กว่ามากสำหรับปฏิกิริยาการแยกน้ำ นั่นแสดงให้เห็นว่าพลังงานที่ผูกมัดไม่สามารถเป็นเรื่องราวทั้งหมดได้ Peterson กล่าว

เพื่อค้นหาว่าเกิดอะไรขึ้น เขาและเพื่อนร่วมงานได้ศึกษาปฏิกิริยาการแยกตัวของน้ำบนตัวเร่งปฏิกิริยาแพลตตินัมโดยใช้วิธีการพิเศษที่พวกเขาพัฒนาขึ้นเพื่อจำลองพฤติกรรมของอะตอมและอิเล็กตรอนแต่ละตัวในปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี

การวิเคราะห์แสดงให้เห็นว่าอะตอมไฮโดรเจนที่จับกับพื้นผิวแพลตตินัมที่พลังงานยึดเหนี่ยว "โกลดิล็อคส์" จะไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาเลยเมื่ออัตราการเกิดปฏิกิริยาสูง แต่พวกมันกลับซ่อนตัวอยู่ภายในชั้นผลึกบนพื้นผิวของแพลตตินัม ซึ่งพวกมันยังคงเป็นเพียงผู้ยืนดูเฉยๆ อะตอมไฮโดรเจนที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยานี้มีพันธะที่อ่อนกว่าพลังงาน "โกลดิล็อค" มาก และแทนที่จะวางตัวอยู่ในโครงตาข่าย พวกมันจะนั่งอยู่บนยอดอะตอมของแพลตตินัม ซึ่งพวกมันมีอิสระที่จะมาพบกันเพื่อก่อตัวเป็นก๊าซ H2

นักวิจัยสรุปว่าเสรีภาพในการเคลื่อนที่ของอะตอมไฮโดรเจนบนพื้นผิวทำให้แพลตตินัมมีปฏิกิริยามาก

“สิ่งนี้บอกเราคือการมองหาพลังงานยึดเหนี่ยวของ 'Goldilocks' ไม่ใช่หลักการออกแบบที่เหมาะสมสำหรับภูมิภาคที่มีกิจกรรมสูง” ปีเตอร์สันกล่าว “เราขอแนะนำว่าการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่ทำให้ไฮโดรเจนอยู่ในสถานะเคลื่อนที่และมีปฏิกิริยาสูงเป็นหนทางไป”