science >> Wetenschap >  >> Chemie

Onderzoek levert nieuw ontwerpprincipe op voor watersplitsende katalysatoren

Een nieuwe studie toont aan dat waterstofatomen losjes gebonden en zeer mobiel zijn op het oppervlak van een platinakatalysator tijdens de watersplitsingsreactie. De bevindingen verklaren waarom platina zo goed is in het katalyseren van deze specifieke reactie, en zou kunnen helpen bij het ontwerp van katalysatoren gemaakt van materialen die goedkoper en overvloediger zijn dan platina. Krediet:Peterson Lab / Brown University

Wetenschappers weten al lang dat platina verreweg de beste katalysator is voor het splitsen van watermoleculen om waterstofgas te produceren. Een nieuwe studie door onderzoekers van de Brown University laat zien waarom platina zo goed werkt - en dat is niet de reden die wordt aangenomen.

Het onderzoek, gepubliceerd in ACS Katalyse , helpt bij het oplossen van een bijna eeuwenoude onderzoeksvraag, zeggen de auteurs. En het zou kunnen helpen bij het ontwerpen van nieuwe katalysatoren voor de productie van waterstof die goedkoper en overvloediger zijn dan platina. Dat zou uiteindelijk kunnen helpen bij het verminderen van de uitstoot van fossiele brandstoffen.

"Als we erachter kunnen komen hoe we waterstof goedkoop en efficiënt kunnen maken, het opent de deur naar veel pragmatische oplossingen voor fossielvrije brandstoffen en chemicaliën, " zei Andrew Peterson, een universitair hoofddocent aan de Brown's School of Engineering en de senior auteur van de studie. "Waterstof kan worden gebruikt in brandstofcellen, gecombineerd met overtollige CO2 om brandstof te maken of gecombineerd met stikstof om ammoniakmest te maken. We kunnen veel doen met waterstof, maar om van watersplitsing een schaalbare waterstofbron te maken, we hebben een goedkopere katalysator nodig."

Het ontwerpen van nieuwe katalysatoren begint met begrijpen wat platina zo speciaal maakt voor deze reactie, Peterson zegt, en dat is wat dit nieuwe onderzoek wilde uitzoeken.

Het succes van Platinum wordt al lang toegeschreven aan zijn "Goldilocks" bindende energie. Ideale katalysatoren houden reagerende moleculen niet te los of te strak vast, maar ergens in het midden. Bind de moleculen te losjes en het is moeilijk om een ​​reactie op gang te krijgen. Bind ze te strak en moleculen plakken aan het oppervlak van de katalysator, maken van een reactie moeilijk te voltooien. De bindingsenergie van waterstof op platina zorgt ervoor dat de twee delen van de watersplitsingsreactie perfect in evenwicht zijn - en dus hebben de meeste wetenschappers geloofd dat het die eigenschap is die platina zo goed maakt.

Maar er waren redenen om te twijfelen of dat beeld klopte, zegt Peterson. Bijvoorbeeld, een materiaal genaamd molybdeendisulfide (MoS2) heeft een bindingsenergie vergelijkbaar met platina, toch is het een veel slechtere katalysator voor de watersplitsingsreactie. Dat suggereert dat bindende energie niet het hele verhaal kan zijn, zegt Peterson.

Om erachter te komen wat er aan de hand was, hij en zijn collega's bestudeerden de watersplitsingsreactie op platinakatalysatoren met behulp van een speciale methode die ze ontwikkelden om het gedrag van individuele atomen en elektronen in elektrochemische reacties te simuleren.

De analyse toonde aan dat de waterstofatomen die aan het oppervlak van platina zijn gebonden bij de "Goldilocks" -bindingsenergie, helemaal niet deelnemen aan de reactie wanneer de reactiesnelheid hoog is. In plaats daarvan, ze nestelen zich in de kristallijne oppervlaktelaag van het platina, waar ze inerte omstanders blijven. De waterstofatomen die wel aan de reactie deelnemen, zijn veel zwakker gebonden dan de veronderstelde "Goudlokje"-energie. En in plaats van zich in het rooster te nestelen, ze zitten bovenop de platina-atomen, waar ze vrij zijn om elkaar te ontmoeten om H2-gas te vormen.

Het is die bewegingsvrijheid voor waterstofatomen op het oppervlak die platina zo reactief maakt, concluderen de onderzoekers.

"Wat dit ons vertelt, is dat het zoeken naar deze 'Goldilocks'-bindende energie niet het juiste ontwerpprincipe is voor de regio met hoge activiteit, " zei Peterson. "We stellen voor dat het ontwerpen van katalysatoren die waterstof in deze zeer mobiele en reactieve toestand brengen, de juiste keuze is."