研究为水分解催化剂的设计提供了新的思路

普罗维登斯，R.I.[布朗大学]——科学家们早就知道，铂是目前为止最好的催化剂，可以将水分子分裂成氢气。布朗大学的研究人员进行的一项新研究表明，为什么铂金如此有效——而这并不是人们认为的原因。

这项研究发表在《ACS催化》杂志上，作者说，它帮助解决了一个近一个世纪的研究问题。它还可以帮助设计出比铂更便宜、更丰富的生产氢气的新催化剂。这可能最终有助于减少化石燃料的排放。

布朗大学工程学院副教授、该研究的资深作者安德鲁·彼得森(Andrew Peterson)说:“如果我们能找到如何廉价而有效地制造氢的方法，就为无化石燃料和化学制品的许多实用解决方案打开了大门。”“氢可以用于燃料电池，与多余的二氧化碳结合制造燃料，或与氮结合制造氨肥料。我们可以利用氢气做很多事情，但是要使水分解成为可扩展的氢气来源，我们需要一种更便宜的催化剂。”

彼得森说，设计新的催化剂首先要了解是什么让铂在这种反应中如此特别，而这正是这项新研究的目的所在。

一项新的研究表明，在水裂解反应中，氢原子在铂催化剂表面具有松散的束缚和高度的流动性。

铂的成功长期以来被认为是由于它的“金凤花”结合能。理想的催化剂能使反应分子既不太松散也不太紧密，而是介于两者之间。分子结合得太松散，很难引起反应。它们结合得太紧，分子就会粘附在催化剂的表面，使反应难以完成。氢在铂上的结合能恰好完美地平衡了水分解反应的两个部分——所以大多数科学家认为正是这个特性使铂如此之好。

但彼得森表示，人们有理由质疑这种说法是否正确。例如，一种被称为二硫化钼(MoS2)的物质具有与铂类似的结合能，但它对水分解反应的催化作用要差得多。彼得森说，这表明结合能并不是全部。

为了弄清楚发生了什么，他和他的同事研究了铂催化剂上的水分解反应，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“金凤花”结合能与铂表面结合的氢原子实际上根本不参与反应。相反，它们栖息在铂的表面晶体层中，在那里它们仍然是惰性的旁观者。参与反应的氢原子的束缚比假定的“金发女孩”能量要弱得多。它们不是依偎在晶格中，而是位于铂原子之上，在那里它们可以自由相遇，形成H2气体。

研究人员得出的结论是，正是表面氢原子的自由移动使得铂具有如此高的活性。

彼得森说:“这告诉我们，寻找这种‘适居带’结合能不是高活动性区域的正确设计原则。”“我们建议设计一种催化剂，让氢处于这种高度流动和活性的状态。”

彼得森在布朗大学的实验室专门利用计算机模拟来设计新的催化剂。该团队计划利用这些新发现开始寻找新的铂替代品。

该研究得到了海军研究办公室(N00014-16-1-2355)的支持。论文的合著者是Per Lindgren和Georg Kastlunger。