Forskare har länge vetat att platina är den överlägset bästa katalysatorn för att dela 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 -katalys , hjälper till att lösa en nästan hundra år gammal forskningsfråga, säger författarna. Och det kan hjälpa till att designa nya katalysatorer för att producera väte som är billigare och rikligare än platina. Det kan i slutändan hjälpa till att minska utsläppen från fossila bränslen.

"Om vi ​​kan ta reda på hur man gör väte billigt och effektivt, det öppnar dörren till många pragmatiska lösningar för fossilfria bränslen och kemikalier, "sa Andrew Peterson, docent i Brown's 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, vi behöver en billigare katalysator. "

Att designa nya katalysatorer börjar med att förstå vad som gör platina så speciell för denna reaktion, Peterson säger, och det var vad denna nya forskning syftade till att ta reda på.

Platinas framgångar har länge tillskrivits dess "Goldilocks" bindande energi. Idealiska katalysatorer håller inte på reagerande molekyler varken för löst eller för tätt, men 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 genomföra. Bindningsenergin för väte på platina råkar bara perfekt balansera de två delarna av vattensplittrande reaktion-och så har de flesta forskare trott att det är det attributet som gör platina så bra.

Men det fanns skäl att ifrågasätta om bilden var korrekt, Säger Peterson. Till exempel, ett material som kallas molybden -disulfid (MoS2) har en bindningsenergi som liknar platina, men är en mycket sämre katalysator för vattensplittande reaktion. Det tyder på att bindande energi inte kan vara hela historien, Säger Peterson.

För att ta reda på vad som hände, han och hans kollegor studerade vattensplittreaktionen på platina-katalysatorer med hjälp av en särskild metod som de utvecklat för att simulera beteendet hos enskilda atomer och elektroner vid elektrokemiska reaktioner.

Analysen visade att väteatomerna som är bundna till platinaytan vid "Goldilocks" -bindningsenergin faktiskt inte deltar i reaktionen alls när reaktionshastigheten är hög. Istället, de ligger inuti det ytliga kristallina skiktet av platina, där de förblir inaktiva åskådare. De väteatomer som deltar i reaktionen är långt mer svagt bundna än den förmodade "Guldlocks" energin. Och snarare än att bo i gitteret, de sitter ovanpå platinaatomerna, där de är fria att träffas med varandra för att bilda H2 -gas.

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

"Det här berättar för oss är att att leta efter denna" Guldlocks "bindande energi inte är rätt designprincip för högaktivitetsregionen, "Peterson sa." Vi föreslår att design av katalysatorer som sätter väte i detta mycket rörliga och reaktiva tillstånd är vägen att gå. "