Расщепление молекул воды требует больше энергии, чем предполагают расчеты — это ключевое препятствие для производства дешевого водородного топлива. К счастью, похоже, теперь ученые наконец-то выяснили, почему, пишет Live Science.

Ученые впервые наблюдали, как молекулы воды в реальном времени разделяются с образованием водорода и кислорода, и заметили нечто необычное: прямо перед разделением, молекулы сделали что-то неожиданное — перевернулись на 180 градусов.

У Фокус. Технологии появился свой Telegram-канал. Подписывайтесь, чтобы не пропускать самые свежие и захватывающие новости из мира науки!

Подобный микроакробатический трюк требует энергии, что дает важное объяснение тому, почему расщепление воды требует больше энергии, чем предполагали теоретические расчеты. Теперь ученые считают, что дальнейшее изучение этого процесса может предоставить ключевые идеи о том, как сделать процесс расщепления молекул воды более эффективным. Более того, команда полагает, что дальнейшие исследования могут открыть путь к более дешевому чистому водородному топливу и пригодному для дыхания кислороду для будущих миссий на Марс.

Известно, что водород обладает рядом ключевых свойств, делающих его привлекательным источником зеленой энергии. По мнению исследователей, это богатое рядом ключевых свойств топливо способно питать грузовики и даже грузовые суда, более того, это единственная альтернатива ископаемому топливу в ряде отраслей, например, сталелитейной промышленности и производстве удобрений. Плюсом водородного топлива является то, что при сжигании оно выделяет воду вместо углекислого газа.

Впрочем, есть и проблемы — высокие энергетические требования к производству водорода существенно ограничивают масштабы производства топлива. Данные Международного энергетического агентства, для удовлетворения всех мировых потребностей в энергии необходимо производство 322 миллионов тонн водородного топлива ежегодно. В то же время в 2023 году было произведено лишь 97 миллионов тонн со стоимостью в 1,5-6 раз выше, чем производство ископаемого топлива. Увы, большинство запасов также было произведено с использованием ископаемого топлива.

Ученые отмечают, что водородное топливо производят путем добавления воды к электроду и последующего расщепления воды с помощью приложенного напряжения на водород и кислород. Известно, что процесс наиболее эффективен, когда в качестве катализатора реакции выделения кислорода используется иридий. Однако этот химический элемент не присутствует сам по себе в недрах планеты, а попадает на Землю лишь в результате падения метеоритов — это делает го редким и дорогостоящим.

Но даже это не единственная проблема. По словам ведущего автора исследования, профессора химии в Северо-Западном университете Франца Гейгера, даже при использовании иридия процесс все еще менее эффективен, чем изначально предполагали ученые.

Результаты показали, что процесс на самом деле потребляет больше энергии, чем ранее было рассчитано теоретически. Расчеты показывают, что потребуется лишь 1,23 вольта, но на самом деле требуется значительно больше — 1,5 или 1,6 вольта. Учет этого дополнительного напряжения стоит денег, и именно поэтому расщепление воды не было реализовано в больших масштабах В ходе исследования ученые сосредоточились на том, чтобы понять, почему процесс требует больше энергии, чем было рассчитано. Для этого они поместили воду на электрод внутри контейнера и измерили положение молекул, используя амплитуду и фазу лазерного света, направленного на них.

Когда ученые подали напряжение на электрод, они заметили, что молекулы быстро перевернулись и вращались так, что два их атома водорода, касающиеся электрода, были обращены вверх, а атом кислорода — вниз.

По словам Гейгера, электроды заряжены отрицательно, а потому молекула воды хочет направить свои положительно заряженные атомы водорода к поверхности электрода. В этом положении перенос электронов от атома кислорода воды к активному центру электрода блокируется. Когда электрическое поле становится достаточно сильным, оно заставляет молекулы перевернуться, в результате чего атомы кислорода указывают на поверхность электрода. Тогда атомы водорода уходят с дороги, и электроны могут перемещаться от кислорода воды к электроду Далее ученые измерили количество вращающихся молекул и энергию, необходимую для этого.

Результаты указывают на то, что такой переворот, вероятно, является необходимой и неизбежной частью процесса расщепления. Более того, команда также обнаружила, что более высокие уровни pH делают этот процесс более эффективным.

Теперь Гейгер с командой считают, что дальнейшее изучение этого процесса, вероятно, позволит разработать более эффективные катализаторы, а также предложить новые идеи о том, как ведет себя вода.

Ранее Фокус писал о том, что ученые создали революционный метод производства топлива из воды и солнечного света.