布朗大学发现水分解制氢中铂催化作用好的真实原因 或设计铂替代品

据国外媒体报道，科学家早就知道铂是分解水制氢的最佳催化剂。布朗大学研究人员的一项新研究表明，为什么这种贵金属如此有效，结果并不是人们所想的那样。

(图片来源:布朗大学)据论文作者介绍，这项研究有助于解决一个困扰了大家近一个世纪的问题，也有助于设计一种比铂更便宜、更丰富的新型催化剂来生产氢气，这可能有助于减少化石燃料的排放。布朗大学工程学院副教授、该研究的主要作者安德鲁·彼得森(Andrew Peterson)说:“如果我们能找到一种廉价有效的方法来生产氢气，我们就能打开许多不使用化石燃料和化学品的实用解决方案的大门。氢可以用于燃料电池，燃料电池可以用于氢动力汽车。当与过量的二氧化碳结合时，可以制造燃料。当与氮结合时，可以制成氨肥料。氢气可以用来做很多事情，如果要分解水产生氢气，就需要更便宜的催化剂。”彼得森说，要设计新的催化剂，就必须了解是什么让铂在这个反应中如此特殊，这也是这项新研究的目的。长期以来，铂被用作分解水制氢的催化剂之所以如此成功，是因为它具有“金凤花”准则的结合能(恰到好处是最合适的)。理想的催化剂需要使分子既不太松也不太紧，但在反应中恰到好处。如果分子结合得太松，就很难启动反应；如果太紧，分子会粘在催化剂表面，使反应难以完成。氢的结合可以完美地平衡铂中水分解反应的两个部分，所以大多数科学家认为这就是为什么铂是一种很好的催化剂。但彼得森表示，有理由质疑这种说法是否正确。比如一种叫做二硫化钼(MoS2)的物质，它和铂的结合能差不多，但是在水分解反应中，它的催化效果比铂差很多。所以说明结合能不是全部原因。为了弄清楚发生了什么，彼得森和他的同事们研究了铂催化剂在水分解反应中的性能，他们开发了一种特殊的方法来模拟单个原子和电子在电化学反应中的行为。分析表明，当反应速率较高时，以“Goldilocks”判据结合能键合在铂表面的氢原子实际上根本不参与反应。相反，这类原子居于铂的表面晶体层，它们也是惰性旁观者(不参与反应)。与“金凤花”判据假设的结合能相比，参与该反应的氢原子的能量要弱得多。这种氢原子不栖息在晶格中，而是坐在铂原子上，可以自由相遇形成氢。研究人员得出结论，正是铂表面氢原子的自由运动使得铂如此活跃。彼得森说:“这告诉我们，寻找‘金发姑娘’准则的结合能并不是设计高活性区域的正确原则。我们建议设计一种催化剂，可以让氢气处于高度流动和活跃的状态。”布朗大学的彼得森实验室专门从事计算机模拟设计新催化剂，该团队计划利用新发现开始寻找铂的替代品。据国外媒体报道，科学家早就知道铂是分解水制氢的最佳催化剂。布朗大学研究人员的一项新研究表明，为什么这种贵金属如此有效，结果并不是人们所想的那样。

(图片来源:布朗大学)据论文作者介绍，这项研究有助于解决一个困扰了大家近一个世纪的问题，也有助于设计一种比铂更便宜、更丰富的新型催化剂来生产氢气，这可能有助于减少化石燃料的排放。布朗大学工程学院副教授、该研究的主要作者安德鲁·彼得森(Andrew Peterson)说:“如果我们能找到一种廉价有效的方法来生产氢气，我们就能打开许多不使用化石燃料和化学品的实用解决方案的大门。氢可以用于燃料电池，燃料电池可以用于氢动力汽车。当与过量的二氧化碳结合时，可以制造燃料。当与氮结合时，可以制成氨肥料。氢气可以用来做很多事情，如果要分解水产生氢气，就需要更便宜的催化剂。”彼得森说，要设计新的催化剂，必须了解是什么让铂在这个反应中如此特殊，这也是这项新研究的目的。长期以来，铂被用作分解水制氢的催化剂之所以如此成功，是因为它具有“金凤花”准则的结合能(恰到好处是最合适的)。理想的催化剂需要使分子既不太松也不太紧，但在反应中恰到好处。如果分子结合得太松，就很难启动反应；如果太紧，分子会粘在催化剂表面，使反应难以完成。氢的结合可以完美地平衡铂中水分解反应的两个部分，所以大多数科学家认为这就是为什么铂是一种很好的催化剂。但彼得森表示，有理由质疑这种说法是否正确。比如一种叫做二硫化钼(MoS2)的物质，它和铂的结合能差不多，但是在水分解反应中，它的催化效果比铂差很多。所以说明结合能不是全部原因。为了弄清楚发生了什么，彼得森和他的同事们研究了铂催化剂在水分解反应中的性能，他们开发了一种特殊的方法来模拟单个原子和电子在电化学反应中的行为。分析表明，当反应速率较高时，以“Goldilocks”判据结合能键合在铂表面的氢原子实际上根本不参与反应。相反，这类原子居于铂的表面晶体层，它们也是惰性旁观者(不参与反应)。与“金凤花”判据假设的结合能相比，参与该反应的氢原子的能量要弱得多。这种氢原子不栖息在晶格中，而是坐在铂原子上，可以自由相遇形成氢。研究人员得出结论，正是铂表面氢原子的自由运动使得铂如此活跃。彼得森说:“这告诉我们，寻找‘金发姑娘’准则的结合能并不是设计高活性区域的正确原则。我们建议设计一种催化剂，可以让氢气处于高度流动和活跃的状态。”布朗大学的彼得森实验室专门从事计算机模拟设计新催化剂，该团队计划利用新发现开始寻找铂的替代品。

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