布朗大學發現水分解制氫中鉑催化作用好的真實原因 或設計鉑替代品

據國外媒體報道，科學家早就知道鉑是分解水制氫的最佳催化劑。布朗大學研究人員的一項新研究表明，為什么這種貴金屬如此有效，結果并不是人們所想的那樣。

(圖片來源:布朗大學)據論文作者介紹，這項研究有助于解決一個困擾了大家近一個世紀的問題，也有助于設計一種比鉑更便宜、更豐富的新型催化劑來生產氫氣，這可能有助于減少化石燃料的排放。布朗大學工程學院副教授、該研究的主要作者安德魯·彼得森(Andrew Peterson)說:“如果我們能找到一種廉價有效的方法來生產氫氣，我們就能打開許多不使用化石燃料和化學品的實用解決方案的大門。氫可以用于燃料電池，燃料電池可以用于氫動力汽車。當與過量的二氧化碳結合時，可以制造燃料。當與氮結合時，可以制成氨肥料。氫氣可以用來做很多事情，如果要分解水產生氫氣，就需要更便宜的催化劑。”彼得森說，要設計新的催化劑，就必須了解是什么讓鉑在這個反應中如此特殊，這也是這項新研究的目的。長期以來，鉑被用作分解水制氫的催化劑之所以如此成功，是因為它具有“金鳳花”準則的結合能(恰到好處是最合適的)。理想的催化劑需要使分子既不太松也不太緊，但在反應中恰到好處。如果分子結合得太松，就很難啟動反應；如果太緊，分子會粘在催化劑表面，使反應難以完成。氫的結合可以完美地平衡鉑中水分解反應的兩個部分，所以大多數科學家認為這就是為什么鉑是一種很好的催化劑。但彼得森表示，有理由質疑這種說法是否正確。比如一種叫做二硫化鉬(MoS2)的物質，它和鉑的結合能差不多，但是在水分解反應中，它的催化效果比鉑差很多。所以說明結合能不是全部原因。為了弄清楚發生了什么，彼得森和他的同事們研究了鉑催化劑在水分解反應中的性能，他們開發了一種特殊的方法來模擬單個原子和電子在電化學反應中的行為。分析表明，當反應速率較高時，以“Goldilocks”判據結合能鍵合在鉑表面的氫原子實際上根本不參與反應。相反，這類原子居于鉑的表面晶體層，它們也是惰性旁觀者(不參與反應)。與“金鳳花”判據假設的結合能相比，參與該反應的氫原子的能量要弱得多。這種氫原子不棲息在晶格中，而是坐在鉑原子上，可以自由相遇形成氫。研究人員得出結論，正是鉑表面氫原子的自由運動使得鉑如此活躍。彼得森說:“這告訴我們，尋找‘金發姑娘’準則的結合能并不是設計高活性區域的正確原則。我們建議設計一種催化劑，可以讓氫氣處于高度流動和活躍的狀態。”布朗大學的彼得森實驗室專門從事計算機模擬設計新催化劑，該團隊計劃利用新發現開始尋找鉑的替代品。據國外媒體報道，科學家早就知道鉑是分解水制氫的最佳催化劑。布朗大學研究人員的一項新研究表明，為什么這種貴金屬如此有效，結果并不是人們所想的那樣。

(圖片來源:布朗大學)據論文作者介紹，這項研究有助于解決一個困擾了大家近一個世紀的問題，也有助于設計一種比鉑更便宜、更豐富的新型催化劑來生產氫氣，這可能有助于減少化石燃料的排放。布朗大學工程學院副教授、該研究的主要作者安德魯·彼得森(Andrew Peterson)說:“如果我們能找到一種廉價有效的方法來生產氫氣，我們就能打開許多不使用化石燃料和化學品的實用解決方案的大門。氫可以用于燃料電池，燃料電池可以用于氫動力汽車。當與過量的二氧化碳結合時，可以制造燃料。當與氮結合時，可以制成氨肥料。氫氣可以用來做很多事情，如果要分解水產生氫氣，就需要更便宜的催化劑。”彼得森說，要設計新的催化劑，必須了解是什么讓鉑在這個反應中如此特殊，這也是這項新研究的目的。長期以來，鉑被用作分解水制氫的催化劑之所以如此成功，是因為它具有“金鳳花”準則的結合能(恰到好處是最合適的)。理想的催化劑需要使分子既不太松也不太緊，但在反應中恰到好處。如果分子結合得太松，就很難啟動反應；如果太緊，分子會粘在催化劑表面，使反應難以完成。氫的結合可以完美地平衡鉑中水分解反應的兩個部分，所以大多數科學家認為這就是為什么鉑是一種很好的催化劑。但彼得森表示，有理由質疑這種說法是否正確。比如一種叫做二硫化鉬(MoS2)的物質，它和鉑的結合能差不多，但是在水分解反應中，它的催化效果比鉑差很多。所以說明結合能不是全部原因。為了弄清楚發生了什么，彼得森和他的同事們研究了鉑催化劑在水分解反應中的性能，他們開發了一種特殊的方法來模擬單個原子和電子在電化學反應中的行為。分析表明，當反應速率較高時，以“Goldilocks”判據結合能鍵合在鉑表面的氫原子實際上根本不參與反應。相反，這類原子居于鉑的表面晶體層，它們也是惰性旁觀者(不參與反應)。與“金鳳花”判據假設的結合能相比，參與該反應的氫原子的能量要弱得多。這種氫原子不棲息在晶格中，而是坐在鉑原子上，可以自由相遇形成氫。研究人員得出結論，正是鉑表面氫原子的自由運動使得鉑如此活躍。彼得森說:“這告訴我們，尋找‘金發姑娘’準則的結合能并不是設計高活性區域的正確原則。我們建議設計一種催化劑，可以讓氫氣處于高度流動和活躍的狀態。”布朗大學的彼得森實驗室專門從事計算機模擬設計新催化劑，該團隊計劃利用新發現開始尋找鉑的替代品。

標簽：世紀發現

汽車資訊熱門資訊