Các nhà khoa học từ lâu đã biết rằng bạch kim là chất xúc tác tốt nhất để tách các phân tử nước tạo ra khí hydro. Một nghiên cứu mới của các nhà nghiên cứu tại Đại học Brown cho thấy tại sao bạch kim lại có tác dụng tốt đến vậy - và đó không phải là lý do được giả định.

Các tác giả cho biết nghiên cứu được công bố trên ACS Catalysis giúp giải quyết câu hỏi nghiên cứu kéo dài gần một thế kỷ. Và nó có thể hỗ trợ trong việc thiết kế các chất xúc tác mới để sản xuất hydro rẻ hơn và dồi dào hơn bạch kim. Điều đó cuối cùng có thể giúp giảm lượng khí thải từ nhiên liệu hóa thạch.

Andrew Peterson, phó giáo sư tại Trường Kỹ thuật Brown và là tác giả chính của nghiên cứu, cho biết: “Nếu chúng ta có thể tìm ra cách sản xuất hydro với giá rẻ và hiệu quả, nó sẽ mở ra cơ hội cho rất nhiều giải pháp thực tế cho nhiên liệu và hóa chất không có hóa thạch”. . “Hydro có thể được sử dụng trong pin nhiên liệu, kết hợp với lượng CO2 dư thừa để tạo ra nhiên liệu hoặc kết hợp với nitơ để làm phân bón amoniac. Có rất nhiều thứ chúng ta có thể làm với hydro, nhưng để biến nước thành một nguồn hydro có thể mở rộng quy mô, chúng ta cần một chất xúc tác rẻ hơn.”

Peterson cho biết, việc thiết kế các chất xúc tác mới bắt đầu bằng việc tìm hiểu điều gì làm cho bạch kim trở nên đặc biệt đối với phản ứng này, và đó là điều mà nghiên cứu mới này nhằm mục đích tìm ra.

Thành công của Platinum từ lâu đã được cho là nhờ vào năng lượng liên kết “Goldilocks”. Chất xúc tác lý tưởng giữ các phân tử phản ứng không quá lỏng cũng không quá chặt mà ở đâu đó ở giữa. Liên kết các phân tử quá lỏng lẻo và rất khó để bắt đầu phản ứng. Liên kết chúng quá chặt và các phân tử dính vào bề mặt chất xúc tác, khiến phản ứng khó hoàn thành. Năng lượng liên kết của hydro trên bạch kim tình cờ cân bằng hoàn hảo hai phần của phản ứng tách nước và vì vậy hầu hết các nhà khoa học đều tin rằng chính thuộc tính đó đã làm cho bạch kim trở nên tốt như vậy.

Nhưng có nhiều lý do để đặt câu hỏi liệu bức ảnh đó có đúng hay không, Peterson nói. Ví dụ, một vật liệu gọi là molybdenum disulfide (MoS2) có năng lượng liên kết tương tự như bạch kim, nhưng lại là chất xúc tác tệ hơn nhiều cho phản ứng tách nước. Điều đó cho thấy rằng năng lượng liên kết không thể là toàn bộ câu chuyện, Peterson nói.

Để tìm hiểu điều gì đang xảy ra, ông và các đồng nghiệp đã nghiên cứu phản ứng tách nước trên chất xúc tác bạch kim bằng phương pháp đặc biệt mà họ đã phát triển để mô phỏng hành vi của từng nguyên tử và electron trong các phản ứng điện hóa.

Phân tích cho thấy rằng các nguyên tử hydro liên kết với bề mặt bạch kim ở năng lượng liên kết “Goldilocks” hoàn toàn không tham gia vào phản ứng khi tốc độ phản ứng cao. Thay vào đó, chúng nép mình bên trong lớp tinh thể bề mặt của bạch kim, nơi chúng vẫn là những kẻ đứng ngoài trơ trọi. Các nguyên tử hydro tham gia vào phản ứng bị liên kết yếu hơn nhiều so với năng lượng được cho là “Goldilocks”. Và thay vì ẩn mình trong mạng tinh thể, chúng ngồi trên các nguyên tử bạch kim, nơi chúng có thể tự do gặp nhau để tạo thành khí H2.

Các nhà nghiên cứu kết luận rằng chính sự tự do chuyển động của các nguyên tử hydro trên bề mặt đã khiến bạch kim có khả năng phản ứng mạnh mẽ.

Peterson nói: “Điều này cho chúng ta biết rằng việc tìm kiếm năng lượng liên kết 'Goldilocks' này không phải là nguyên tắc thiết kế phù hợp cho vùng hoạt động cao. “Chúng tôi đề xuất rằng việc thiết kế các chất xúc tác đưa hydro vào trạng thái phản ứng và linh động cao này là một hướng đi đúng đắn.”