水分解制氢催化剂的新设计原理

铂是迄今为止科学家们认为最好的水分解制氢催化剂。布朗大学的一项新研究说明了铂性能好的原因并非是曾经认为的那样。这项研究成果发表在ACS Catalysis杂志上。

一直以来，人们认为铂的成功归功于其“适宜的”键能。理想的催化剂与反应分子的结合既不会太松，也不会太紧，而是处于中间水平。与反应分子结合得太松，就难以引发反应，而结合得太紧，分子粘在催化剂表面上，反应就很难完成。氢在铂上的键能恰好完美地平衡了水分解反应的两个部分，因此绝大多数科学家认为这就是铂性能好的原因。但是，有一种叫做二硫化钼(MoS2)的材料，其键能与铂相似，但对水分解反应的催化作用却差得多。这说明键能并非是全部原因。

布朗大学的研究人员用一种自己开发的特殊方法对铂催化剂上的水分解反应进行了研究，这种方法模拟了单个原子和电子在电化学反应中的行为。分析结果表明，当反应速率很高时，以“适宜的”键能结合到铂表面的氢原子实际上完全没有参与反应。相反，它们藏在铂的表面结晶层中，保持惰性“旁观者”的状态。参与反应的氢原子的结合力比设想的“适宜的”键能弱得多。这些氢原子没有藏在晶格中，而是附着在铂原子上，彼此自由接触形成氢气。据此，研究者得出结论，是氢原子在表面的自由移动使得铂具有高催化活性。他们认为，寻找“适宜的”键能并非高活性催化剂的正确设计原则，而是应该让氢原子处于这种高度可移动和反应的状态。布朗大学研究者所在的Peterson实验室专门从事利用计算机模拟设计新催化剂的研究工作。该团队打算利用这些新发现去寻找铂的新替代物。