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
時間:2020-02-10 12:07來源:蓋世汽車 作者:余秋云
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（圖片來源：布朗大學）
據外媒報道，科學家們早就知道，鉑是目前分解水制氫的最佳催化劑。美國布朗大學（Brown University）研究人員的一項新研究表明了，為何該種貴金屬如此有效，而且得出的結果并不是人們所認為的結果。
據論文作者所說，該項研究幫助解決了一個困擾大家近一個世紀的問題，而且有助于設計出比鉑更便宜、更豐富的新型催化劑，以生產氫氣，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兼該研究的首席作者Andrew Peterson表示：“如果我們能夠找到廉價、有效的制氫方法，就能夠為無化石燃料和化學制品的許多實用解決方案打開大門。氫可用于燃料電池，而燃料電池可以用于氫動力汽車，與過量的二氧化碳結合可以制造燃料，與氮結合可以制造氨肥料，可以利用氫氣做很多事情，而如果要分解水制氫，就需要一種更便宜的催化劑。”
Peterson表示，要設計新型催化劑首先需要了解是什么讓鉑在此種反應中如此特別，這也正是該項新研究的目的所在。
長期以來，鉑作為催化劑用于分解水制氫如此成功因為其具備“金發女孩”準則（剛剛好就是最適合的）結合能。理想的催化劑需要在反應中，讓分子既不要太松散，也不要太緊湊，而是剛剛適中。將分子結合得太松，會很難讓反應開始；如果太緊，分子又會粘在催化劑表面，使反應難以完成。氫的結合能在鉑中恰好能夠完美的平衡水分解反應的兩個部分，因此大多數科學家認為這就是鉑是很好的催化劑的原因。
但是Peterson表示，有理由質疑是否此種說法正確。例如，有一種稱為二硫化鉬（MoS2）的物質具有與鉑類似的結合能，但是，在水分解反應中，催化作用比鉑差得多。因此，表明結合能并不是全部原因。
為了弄清楚發生了什么，Peterson與同事研究了鉑催化劑在水分解反應中的表現，他們研發了一種特殊的方法，以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，具備“金發女孩”準則結合能的鉑，在其表面結合的氫原子實際上根本不參與反應。相反，此類原子棲息在鉑的表面晶體層中，而且也是惰性的旁觀者（不參與反應）。參與該反應的氫原子與假定的 “金發女孩”準則結合能相比，能量要弱得多。此類氫原子不棲息在晶格中，而是坐落在鉑原子之上，可以自由相遇，形成氫氣。
研究人員得出的結論是，正是鉑表面的氫原子的自由移動才讓鉑具有如此高的活性。
Peterson表示：“這告訴我們，尋找 “金發女孩”準則結合能并不是正確的設計高活性區域的原則，我們建議設計一種催化劑，能夠讓氫處于高度流動和活性的狀態。”
布朗大學Peterson實驗室專門使用計算機模擬來設計新型催化劑，該團隊計劃利用新發現，開始尋找鉑的替代品。
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