为了使用氢气作为清洁能源，一些工程师希望将氢气装入更大的分子中，而不是将气体压缩到油箱中。气体很容易从气罐中流出，但从分子中取出氢气需要催化剂。现在，研究人员揭示了关于这种催化剂的新细节。结果是设计用于氢能应用(例如燃料电池)的催化剂的一个步骤。
来自能源部太平洋西北实验室的科学家将实验和理论研究结合起来，以确定催化剂的特征，即一组铑，硼和其他原子。催化剂与氨硼烷(一种密集储存氢的分子)发生化学反应，以释放氢气作为气体。他们的结果揭示了这种催化反应的许多分子细节，于8月5 日出现在化学学会杂志上。
“这些研究告诉我们化学反应中最困难的部分是什么，”PNNL化学家和研究作者Roger Rousseau说。“如果我们能找到改变硬质部分的方法，即更容易释放氢气，那么我们就可以改进这种催化剂。”
分子坦克
研究人员和工程师正在尝试创建一种氢燃料系统，可以安全地储存氢气并轻松排出氢气，然后可以用于燃料电池或其他应用。
实现这种燃料系统的一种方法是通过“储存”氢作为较大分子的一部分。含有氢原子的分子，在这种情况下是氨硼烷，用作一种结构载体。催化剂根据需要从氨硼烷中提取氢以运行装置。
界面催化研究所的PNNL化学家研究了一种基于铑的催化剂，它可以很好地完成这项工作，但可能有改进的潜力。他们的初步工作表明催化剂作为一个分子，在四面体或三角锥中包含四个铑原子的核心，每个角都用硼和其他元素装饰。但是铑和其他原子可以在分子中排列成几十种配置。
这对于设计改进来说还不够充分 – 团队想要知道哪些结构是真正的催化剂，以及原子如何一起工作以从氨硼烷中除去氢。为了找到答案，研究人员必须将实验工作与理论工作结合起来，因为这两种方法本身都不够。
熙熙攘攘的Borane Buster
首先，该团队采用催化剂 – 氨硼烷反应，采用了多种技术。其中最重要的是一种称为操作数XAFS的罕见技术，它允许它们拍摄催化剂的X射线快照。大多数研究人员在催化剂处于静止状态时检查催化剂的结构，但这就像试图通过观察他的睡眠来弄清楚运动员的表现。
在PNLL校园的DOE环境分子科学实验室EMSL进行了另外的实验。来自各种实验的数据就像团队必须融合在一起的拼图。
为了将这个难题放在一起，该团队使用计算机模型构建了一个理论分子配置，可以解释所有数据。这些计算上具有挑战性的模型是在位于加利福尼亚州伯克利的劳伦斯伯克利实验室的能源研究科学计算中心的计算机上计算的。
计算机模型产生了最好地结合实验数据的结构。为了测试这种结构是否正常工作，该团队对该催化结构与氨硼烷反应的操作数XAFS分析进行了计算机模拟。然后他们将模拟数据与收集的关于催化剂的实际数据进行比较。这两组数据非常匹配，表明他们提出的结构非常接近现实。
该结构的化学性质以及其他实验数据使该团队能够概述催化剂与氨硼烷之间发生的化学反应。卢梭说，催化剂不会保持不变，使其成为一个良好的催化剂，但就像一个活跃的两岁，也是一个难以确定的主题。
一次采摘一个原子
结果表明，活性催化剂从氨硼烷分子上的特定位点取出氢：分子中的氮原子保持在两个氢原子上。首先，催化剂吸掉一个氢原子。卢梭说，这是反应中最难的部分，它使剩余的氢和硼之间的键不稳定。因此，该分子也喷射出第二氢，并且两个氢原子形成分子氢或H2，其作为气体释放并且可以用于发动机或燃料电池中。
Rousseau表示，该团队还需要提供更多细节，但这项研究对于设计一种优质，廉价的催化剂需要了解的内容有很大的影响。
卢梭补充说，该研究受益于PNNL的成立。“这项工作的一个重要部分是我们拥有这些DOE团队，我们可以从实验开始，然后再去理论，然后再回到理论中。我们获得的信息比单独使用任何一个更多。
