科学者たちは、水分子を分解して水素ガスを生成するのに、プラチナが断然最良の触媒であることを長い間知っていました。ブラウン大学の研究者らによる新しい研究は、プラチナがなぜこれほど効果があるのか​​を示していますが、それは想定されている理由ではありません。

ACS Cataracyに掲載されたこの研究は、ほぼ1世紀にわたる研究上の疑問を解決するのに役立つと著者らは述べている。また、プラチナよりも安価で豊富な水素を製造するための新しい触媒の設計に役立つ可能性がある。それは最終的には化石燃料からの排出量削減に役立つ可能性がある。

「水素を安価かつ効率的に製造する方法を発見できれば、化石燃料を使わない燃料や化学物質に関する多くの実用的な解決策への扉が開かれるでしょう」とブラウン工学部准教授で、この研究の主任著者であるアンドリュー・ピーターソン氏は述べた。 。「水素は燃料電池で使用でき、過剰な CO2 と組み合わせて燃料を作ったり、窒素と組み合わせてアンモニア肥料を作ったりできます。水素を使ってできることはたくさんありますが、水の分解を拡張可能な水素源にするためには、より安価な触媒が必要です。」

新しい触媒の設計は、プラチナがこの反応にとって特別である理由を理解することから始まり、それがこの新しい研究が解明することを目的としたものである、とピーターソン氏は言います。

プラチナの成功は長い間、その「ゴルディロックス」結合エネルギーによるものだと考えられてきました。理想的な触媒は、反応する分子を緩すぎず、強すぎず、中間のどこかに保持します。分子の結合が緩すぎると、反応を開始することが困難になります。結合が強すぎると分子が触媒の表面にくっつき、反応の完了が困難になります。プラチナ上の水素の結合エネルギーは、たまたま水分解反応の 2 つの部分のバランスを完全にとっているだけです。そのため、ほとんどの科学者は、その特性がプラチナを優れたものにしていると信じてきました。

しかし、そのイメージが正しいかどうかを疑問視する理由もあったとピーターソン氏は言う。たとえば、二硫化モリブデン (MoS2) と呼ばれる材料は、白金と同様の結合エネルギーを持っていますが、水の分解反応にとってははるかに悪い触媒です。このことは、結合エネルギーがすべてではないことを示唆している、とピーターソン氏は言う。

何が起こっているのかを解明するために、彼と同僚は、電気化学反応における個々の原子と電子の挙動をシミュレートするために開発した特別な方法を使用して、白金触媒での水の分解反応を研究しました。

分析の結果、「ゴルディロックス」結合エネルギーで白金の表面に結合している水素原子は、反応速度が高い場合には実際には反応にまったく関与していないことが判明した。代わりに、それらはプラチナの表面結晶層内に寄り添い、そこで不活性な傍観者のままになります。反応に実際に関与する水素原子は、想定される「ゴルディロックス」エネルギーよりもはるかに弱く結合されています。そして、それらは格子の中に寄り添うのではなく、白金原子の上に位置し、そこで自由に互いに出会って H2 ガスを形成します。

表面上の水素原子の自由な動きこそが、プラチナの反応性を高めている、と研究者らは結論づけている。

「このことからわかることは、この『ゴルディロックス』結合エネルギーを探すのは、高活性領域の正しい設計原則ではないということです」とピーターソン氏は述べた。「私たちは、水素をこの非常に移動しやすく反応性の高い状態にする触媒を設計することが最善策であると提案します。」