研究为水分解催化剂提供了新的设计原理

科学家早就知道，到目前为止，铂是分解水分子以产生氢气的最佳催化剂。布朗大学研究人员的一项新研究表明了铂为何如此好地工作-这并不是被假定的原因。

这组作者说，这项发表在ACS Catalysis上的研究有助于解决近一个世纪的研究问题。而且它可以帮助设计比铂便宜和丰富的新型制氢催化剂。这最终可能有助于减少化石燃料的排放。

布朗工程学院副教授，该研究的资深作者安德鲁·彼得森说：“如果我们能找到如何廉价有效地制氢，它将为许多实用的无化石燃料和化学解决方案打开大门。” 。“氢气可以用于燃料电池，可以与过量的CO2结合使用来制造燃料，或者与氮气结合使用来制造氨肥。我们可以用氢做很多事情，但是要将水分解成可扩展的氢源，我们需要一种更便宜的催化剂。 ”

彼得森说，设计新的催化剂首先要了解是什么使铂在该反应中如此特别，这就是这项新研究的目的。

长期以来，铂金的成功归功于其“戈尔德洛克”的约束力。理想的催化剂既不会使分子反应得太松也不会太紧，而是停留在中间的某个位置。分子太松散地结合，很难开始反应。束缚得太紧，分子粘在催化剂表面，使反应难以完成。氢在铂上的结合能恰好完美地平衡了水分解反应的两个部分，因此大多数科学家认为，正是这种特性使铂变得如此出色。

彼得森说，但是有理由怀疑那幅画是否正确。例如，一种称为二硫化钼(MoS2)的材料具有与铂相似的结合能，但对于水分解反应而言却是更差的催化剂。彼得森说，这表明束缚的能量不可能是全部。

为了发现正在发生的事情，他和他的同事们使用一种特殊的方法研究了铂催化剂上的水分解反应，他们开发了一种特殊的方法来模拟电化学反应中单个原子和电子的行为。

分析表明，当反应速率高时，以“ Goldilocks”结合能结合到铂表面的氢原子实际上根本不参与反应。相反，它们位于铂的表面结晶层中，并保持惰性状态。确实参与反应的氢原子的束缚力远比所谓的“戈尔德洛克”能量弱。它们没有嵌套在晶格中，而是位于铂原子的顶部，它们可以自由相遇形成H2气体。

研究人员得出结论，正是由于表面氢原子的自由移动，铂才如此具有活性。

彼得森说：“这告诉我们，对于高活性区域，寻找这种'金发姑娘'的结合能并不是正确的设计原则。” “我们建议设计使氢处于这种高度流动和反应状态的催化剂是可行的方法。”

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