Väte är det vanligaste grundämnet i universum. Divätemolekylen, med en H-H bindning, är en av de enklaste och mest flexibla inom kemi. Att klyva en divätebindning för att producera eller lagra energi kräver att katalysatorn utformas med den perfekta balansen av egenskaper för att uppnå önskad reaktivitet. Dessutom, förmågan att få den molekylen att återmontera sig själv och att kontrollera hastigheten för montering och demontering är viktig i produktionen av rena bränslen. Morris Bullock och hans kollegor vid Pacific Northwest National Laboratory uppnådde kontroll över hastigheten för klyvning och återmontering av en divätemolekyl.

I det ständiga sökandet efter ren bränsleproduktion, forskare har undersökt enkla sätt att heterolytiskt klyva vätemolekylen i två ojämna produkter. Att förstå egenskaperna för klyvning av heterolytiska divätebindningar och kontrollera platsen och energin för den resulterande protonen och negativt laddade hydriden är viktigt för utformningen av nya katalysatorer för bränsleceller och andra rena energikällor.

Divätebindningen är den enklaste inom kemi men den erbjuder en flexibilitet i hur bindningen bryts. Den kan brytas på två olika sätt, homolytiskt eller heterolytiskt, i två identiska fragment eller två olika laddade fragment, en proton och hydrid. Heterolytisk klyvning är brytningen av det bindande elektronparet i två ojämna produkter. Detta är en vanlig process vid användning av väte i bränsleceller och i biologiska processer som förekommer i naturen där enzymer oxiderar väte. Omvänd heterolytisk klyvning är processen att ta dessa ojämna fragment och rekonstruera dem till sin ursprungliga struktur; det är, kombinerar protonen och hydriden och skapar diväte.

Före denna studie, Bullock och hans kollegor undersökte hur divätebindningar bryts och omvandlas till en divätemolekyl. "Vad vi försöker göra är att hitta rätt elektroniska egenskaper så att energin som behövs för klyvning är låg, säger Bullock, en katalysforskare.

Att designa denna molekyl är en balansgång. Tidigare iterationer av dessa molekyler var antingen bundna för starkt till katalysatorn efter klyvning eller var för svaga för att binda till katalysatorn. Som svar, PNNL-forskare skapade en serie molybdenbaserade katalysatorer, för vilken hastigheten för H-H-klyvning och återmontering systematiskt kunde varieras.

Dessutom, Bullock och hans kollegor bevisade att det finns en mekanism för att kontrollera graden av reversibel heterolytisk klyvning. Med hjälp av kärnmagnetisk resonansspektroskopi vid PNNL, de observerade reaktionen när den inträffade. Ytterligare, de kontrollerade klyvningshastigheten genom att systematiskt ändra metallkomplexens elektroniska egenskaper. Vissa av dessa bindningar klyvs och sätts ihop igen med nära 10 miljoner gånger per sekund vid rumstemperatur. Genom att ändra surheten i dessa komplex, den reversibla heterolytiska klyvningshastigheten kan ändras med en faktor 10, 000.

Att förstå de termodynamiska och kinetiska egenskaperna för klyvning av heterolytisk divätebindning och att kontrollera överföringen av protonen och hydriden är avgörande för utformningen av nya katalysatorer. Nästa steg är att bestämma hur man uppnår klyvning av H-H-bindningarna och kontrollera leveransen av protoner och hydrider efter att H-H-bindningen har brutits.