Вчені давно знають, що платина є найкращим каталізатором для розщеплення молекул води з утворенням водню. Нове дослідження, проведене дослідниками Університету Брауна, показує, чому платина працює так добре, і це не причина, яка припускалася.

За словами авторів, дослідження, опубліковане в ACS Catalysis, допомагає вирішити дослідницьке питання майже століття тому. І це може допомогти в розробці нових каталізаторів для виробництва водню, які є дешевшими та більшими, ніж платина. Зрештою це може допомогти зменшити викиди від викопного палива.

«Якщо ми зможемо з’ясувати, як виробляти водень дешево та ефективно, це відкриє двері для багатьох прагматичних рішень для палива та хімікатів, які не містять викопного палива», — сказав Ендрю Петерсон, доцент Інженерної школи Брауна та старший автор дослідження. . «Водень можна використовувати в паливних елементах у поєднанні з надлишком CO2 для отримання палива або в поєднанні з азотом для отримання аміачного добрива. Ми можемо багато зробити з воднем, але щоб зробити розщеплення води масштабованим джерелом водню, нам потрібен дешевший каталізатор».

Розробка нових каталізаторів починається з розуміння того, що робить платину такою особливою для цієї реакції, каже Петерсон, і це те, що це нове дослідження мало на меті з’ясувати.

Успіх Platinum довгий час приписували його сполучній енергії «Золотоволосої». Ідеальні каталізатори тримаються на реагуючих молекулах ні надто слабо, ні надто щільно, а десь посередині. Молекули зв’язуються надто слабо, тому важко розпочати реакцію. Зв’яжіть їх надто міцно, і молекули прилипнуть до поверхні каталізатора, що ускладнить завершення реакції. Енергія зв’язку водню з платиною ідеально врівноважує дві частини реакції розщеплення води, тому більшість вчених вважають, що саме ця властивість робить платину такою хорошою.

Але були підстави сумніватися в тому, що ця картина була правильною, каже Петерсон. Наприклад, матеріал під назвою дисульфід молібдену (MoS2) має енергію зв’язку, подібну до платини, але є набагато гіршим каталізатором реакції розщеплення води. Це свідчить про те, що зв’язуюча енергія не може бути повною історією, каже Петерсон.

Щоб з’ясувати, що відбувається, він і його колеги вивчили реакцію розщеплення води на платинових каталізаторах за допомогою спеціального методу, розробленого ними для моделювання поведінки окремих атомів і електронів в електрохімічних реакціях.

Аналіз показав, що атоми водню, які зв’язані з поверхнею платини з енергією зв’язку «Златовласка», насправді взагалі не беруть участі в реакції, коли швидкість реакції висока. Замість цього вони живуть у поверхневому кристалічному шарі платини, де залишаються інертними спостерігачами. Атоми водню, які дійсно беруть участь у реакції, набагато слабше зв’язані, ніж передбачувана енергія «Златовласка». І замість того, щоб гніздитися в решітці, вони сидять на вершині атомів платини, де вони можуть вільно зустрічатися один з одним, утворюючи газ H2.

Саме свобода руху атомів водню на поверхні робить платину такою реакційноздатною, підсумовують дослідники.

«Це говорить нам про те, що пошук енергії зв’язку «Златовласки» не є правильним принципом проектування для регіону з високою активністю», — сказав Петерсон. «Ми припускаємо, що розробка каталізаторів, які переводитимуть водень у такий високорухливий та реакційноздатний стан, — це шлях».