水分解制氫催化劑的新設計原理

鉑是迄今為止科學家們認為最好的水分解制氫催化劑。布朗大學的一項新研究說明了鉑性能好的原因并非是曾經認為的那樣。這項研究成果發表在ACS Catalysis雜志上。

一直以來，人們認為鉑的成功歸功于其“適宜的”鍵能。理想的催化劑與反應分子的結合既不會太松，也不會太緊，而是處于中間水平。與反應分子結合得太松，就難以引發反應，而結合得太緊，分子粘在催化劑表面上，反應就很難完成。氫在鉑上的鍵能恰好完美地平衡了水分解反應的兩個部分，因此絕大多數科學家認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。

布朗大學的研究人員用一種自己開發的特殊方法對鉑催化劑上的水分解反應進行了研究，這種方法模擬了單個原子和電子在電化學反應中的行為。分析結果表明，當反應速率很高時，以“適宜的”鍵能結合到鉑表面的氫原子實際上完全沒有參與反應。相反，它們藏在鉑的表面結晶層中，保持惰性“旁觀者”的狀態。參與反應的氫原子的結合力比設想的“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。據此，研究者得出結論，是氫原子在表面的自由移動使得鉑具有高催化活性。他們認為，尋找“適宜的”鍵能并非高活性催化劑的正確設計原則，而是應該讓氫原子處于這種高度可移動和反應的狀態。布朗大學研究者所在的Peterson實驗室專門從事利用計算機模擬設計新催化劑的研究工作。該團隊打算利用這些新發現去尋找鉑的新替代物。