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

据外媒报道，科学家们早就知道，铂是目前分解水制氢的最佳催化剂。美国布朗大学(Brown University)研究人员的一项新研究表明了，为何该种贵金属如此有效，而且得出的结果并不是人们所认为的结果。

据论文作者所说，该项研究帮助解决了一个困扰大家近一个世纪的问题，而且有助于设计出比铂更便宜、更丰富的新型催化剂，以生产氢气，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兼该研究的首席作者Andrew Peterson表示：“如果我们能够找到廉价、有效的制氢方法，就能够为无化石燃料和化学制品的许多实用解决方案打开大门。氢可用于燃料电池，而燃料电池可以用于氢动力汽车，与过量的二氧化碳结合可以制造燃料，与氮结合可以制造氨肥料，可以利用氢气做很多事情，而如果要分解水制氢，就需要一种更便宜的催化剂。”

Peterson表示，要设计新型催化剂首先需要了解是什么让铂在此种反应中如此特别，这也正是该项新研究的目的所在。

长期以来，铂作为催化剂用于分解水制氢如此成功因为其具备“金发女孩”准则(刚刚好就是最适合的)结合能。理想的催化剂需要在反应中，让分子既不要太松散，也不要太紧凑，而是刚刚适中。将分子结合得太松，会很难让反应开始;如果太紧，分子又会粘在催化剂表面，使反应难以完成。氢的结合能在铂中恰好能够完美的平衡水分解反应的两个部分，因此大多数科学家认为这就是铂是很好的催化剂的原因。

但是Peterson表示，有理由质疑是否此种说法正确。例如，有一种称为二硫化钼(MoS2)的物质具有与铂类似的结合能，但是，在水分解反应中，催化作用比铂差得多。因此，表明结合能并不是全部原因。

为了弄清楚发生了什么，Peterson与同事研究了铂催化剂在水分解反应中的表现，他们研发了一种特殊的方法，以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，具备“金发女孩”准则结合能的铂，在其表面结合的氢原子实际上根本不参与反应。相反，此类原子栖息在铂的表面晶体层中，而且也是惰性的旁观者(不参与反应)。参与该反应的氢原子与假定的 “金发女孩”准则结合能相比，能量要弱得多。此类氢原子不栖息在晶格中，而是坐落在铂原子之上，可以自由相遇，形成氢气。

研究人员得出的结论是，正是铂表面的氢原子的自由移动才让铂具有如此高的活性。

Peterson表示：“这告诉我们，寻找 “金发女孩”准则结合能并不是正确的设计高活性区域的原则，我们建议设计一种催化剂，能够让氢处于高度流动和活性的状态。”

布朗大学Peterson实验室专门使用计算机模拟来设计新型催化剂，该团队计划利用新发现，开始寻找铂的替代品。