鉑是迄今為止科學(xué)家們認(rèn)為最好的水分解制氫催化劑。布朗大學(xué)的一項(xiàng)新研究說明了鉑性能好的原因并非是曾經(jīng)認(rèn)為的那樣。這項(xiàng)研究成果發(fā)表在ACS Catalysis雜志上。

一直以來，人們認(rèn)為鉑的成功歸功于其“適宜的”鍵能。理想的催化劑與反應(yīng)分子的結(jié)合既不會太松，也不會太緊，而是處于中間水平。與反應(yīng)分子結(jié)合得太松，就難以引發(fā)反應(yīng)，而結(jié)合得太緊，分子粘在催化劑表面上，反應(yīng)就很難完成。氫在鉑上的鍵能恰好完美地平衡了水分解反應(yīng)的兩個(gè)部分，因此絕大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為這就是鉑性能好的原因。但是，有一種叫做二硫化鉬(MoS2)的材料，其鍵能與鉑相似，但對水分解反應(yīng)的催化作用卻差得多。這說明鍵能并非是全部原因。

布朗大學(xué)的研究人員用一種自己開發(fā)的特殊方法對鉑催化劑上的水分解反應(yīng)進(jìn)行了研究，這種方法模擬了單個(gè)原子和電子在電化學(xué)反應(yīng)中的行為。分析結(jié)果表明，當(dāng)反應(yīng)速率很高時(shí)，以“適宜的”鍵能結(jié)合到鉑表面的氫原子實(shí)際上完全沒有參與反應(yīng)。相反，它們藏在鉑的表面結(jié)晶層中，保持惰性“旁觀者”的狀態(tài)。參與反應(yīng)的氫原子的結(jié)合力比設(shè)想的“適宜的”鍵能弱得多。這些氫原子沒有藏在晶格中，而是附著在鉑原子上，彼此自由接觸形成氫氣。據(jù)此，研究者得出結(jié)論，是氫原子在表面的自由移動使得鉑具有高催化活性。他們認(rèn)為，尋找“適宜的”鍵能并非高活性催化劑的正確設(shè)計(jì)原則，而是應(yīng)該讓氫原子處于這種高度可移動和反應(yīng)的狀態(tài)。布朗大學(xué)研究者所在的Peterson實(shí)驗(yàn)室專門從事利用計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)新催化劑的研究工作。該團(tuán)隊(duì)打算利用這些新發(fā)現(xiàn)去尋找鉑的新替代物。