Pentru prima dată, oamenii de știință au observat că moleculele de apă se despart în timp real pentru a forma hidrogen și oxigen.
Și chiar înainte de a se împărți, moleculele au făcut ceva complet neașteptat: au răsturnat 180 de grade.
Această cascadorie micro -acrobatică necesită energie, ceea ce oferă o explicație crucială pentru motivul pentru care divizarea apei necesită mai multă energie decât au sugerat calculele teoretice.
Cercetătorii spun că studierea acestui lucru ar putea oferi informații cheie pentru eficiența procesului de împărțire a moleculelor de apă – deschiderea unei căi de combustibil cu hidrogen curat mai ieftin și oxigen respirabil pentru viitoarele misiuni ale lui Marte. Și -au publicat concluziile pe 5 martie în jurnal Progrese științifice.
Fabricarea de combustibil cu hidrogen
Hidrogenul are o serie de proprietăți cheie care îl fac o sursă atrăgătoare de energie verde. Combustibilul bogat în energie este capabil să alimenteze camioane și chiar nave de marfă și este singura alternativă la combustibilii fosili din industrii precum fabricarea oțelului și a îngrășămintelor. Când este ars, combustibilul eliberează apă în loc de dioxid de carbon.
Cu toate acestea, cerințele de energie abrupte pentru producția de hidrogen limitează sever scara la care este produs combustibilul. Potrivit Autorității Internaționale pentru Energie, 322 milioane de tone (354 milioane tone) de combustibil cu hidrogen Trebuie produs în fiecare an pentru a răspunde nevoilor de energie globală. Dar în 2023, doar 97 de milioane de tone (107 milioane de tone) au fost fabricate la un cost monetar 1,5 până la șase ori mai mare decât producția de combustibili fosili – și marea majoritate a acestuia a fost făcută și folosind combustibili fosili.
Combustibilul cu hidrogen se face prin adăugarea apei la un electrod și apoi împărțirea apei cu o tensiune aplicată în hidrogen și oxigen.
Acest proces este cel mai eficient atunci când elementul chimic Iridium este utilizat ca catalizator pentru reacția de evoluție a oxigenului care scindează oxigenul din moleculele de apă. Dar Iridium ajunge doar pe planeta noastră din impactul meteoritelor, ceea ce îl face costisitor și rar.
Dar chiar și atunci când folosesc Iridium, procesul este mai puțin eficient decât oamenii de știință cred că ar trebui să fie.
“Se termină să ia mai multă energie decât teoretic calculat. Dacă faceți matematica, ar trebui să necesite 1,23 volți. Dar, în realitate, necesită mai mult 1,5 sau 1,6 volți”, autorul principal al studiului Franz Geigerprofesor de chimie la Universitatea Northwestern, spus într -o declarație. “Oferirea acestei tensiuni suplimentare costă bani și de aceea divizarea apei nu a fost pusă în aplicare la scară largă.”
Pentru a înțelege mai bine cerințele energetice ale acestui proces și de ce este mai puțin eficient decât sugerează teoria, cercetătorii au așezat apa pe un electrod în interiorul unui recipient și au măsurat pozițiile moleculelor folosind amplitudinea și faza luminii laser au strălucit asupra lor.
Când oamenii de știință au aplicat o tensiune pe electrod, ei au observat că moleculele au răsturnat rapid și s -au rotit astfel încât cei doi atomi de hidrogen care atingi electrodul în sus și atomul de oxigen s -a confruntat în jos.
“Electrozii sunt încărcați negativ, astfel încât molecula de apă vrea să -și pună atomii de hidrogen încărcați pozitiv spre suprafața electrodului”, a spus Geiger. “În această poziție, transferul de electroni de la atomul de oxigen al apei la locul activ al electrodului este blocat. Când câmpul electric devine suficient de puternic, face ca moleculele să se întoarcă, astfel încât atomii de oxigen îndreaptă spre suprafața electrodului. Apoi, atomii de hidrogen sunt în afara drumului, iar electronii se pot deplasa de la oxigenul apei la electrod.”
Măsurând numărul de molecule care s -au rotit și energia necesară pentru a face acest lucru, cercetătorii au descoperit că această flipping era probabil o parte necesară și inevitabilă a procesului de divizare. Mai mult, cercetătorii au descoperit că nivelurile mai ridicate de pH au făcut acest proces mai eficient.
Studierea în continuare a acestui proces ar putea ajuta oamenii de știință să proiecteze catalizatori mai eficienți să -l folosească în acest proces și să înțeleagă mai bine procesele chimice implicate, au spus cercetătorii, oferind totodată informații proaspete despre modul în care se comportă apa.
„Munca noastră subliniază cât de puțin știm despre apă la interfețe”, a spus Geiger. „Apa este complicată, iar noua noastră tehnologie ne -ar putea ajuta să înțelegem ceva mai bine”.
„Prin proiectarea Noi catalizatori Acest lucru facilitează apă, am putea face ca împărțirea apei mai practică și mai rentabilă ”, a adăugat el.