科学家发现水分子在它们分裂前翻转这可能帮助他们生产更便宜的氢燃料

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By Ben Turner

 published 2 days ago

Chemistry

分解水分子要用比计算提示更多的能量，是廉价氢燃料生产的关键障碍。现在科学家们已经发现了为什么。

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水滴的照片。 (Image credit: J. Adam Fenster / University of Rochester)

科学家们首次已经观察到水分子实时分裂中形成氢气和氧气。

刚好在它们分裂之前分子做了某些完全出乎意料的事情：它们翻转了180度。

这种微型杂技特技要用能量，这提供为什么分裂水要用比理论计算提示的更多能量一个关键的解释。

研究人员说，进一步研究这个可以为探究水分子分裂过程更有效的提供关键洞察，为未来的火星使命开辟一条更更便宜的清洁氢燃料和可呼吸氧气的途径。他们于3月5日在《科学进展》杂志上发表了他们的发现。

制造氢燃料

氢有许多关键属性使它成为一种诱人的绿色能源。这种富含能量的燃料能够为卡车甚至货船提供动力，并且是钢铁和化肥制造行业中化石燃料的唯一替代品。当它燃烧时燃料释放水而不是二氧化碳。

然而，氢气生产的陡峭能量需求严重限制这种燃料的生产规模。按照国际能源管理局，每年需要生产3.22亿吨（3.54亿吨）氢燃料来满足全球能源需求。但在2023年，只有9700万吨（1.07亿吨）被在成本是化石燃料产量的1.5到6倍制造，其中绝大多数也被用化石燃料制造。.

氢燃料被通过向一个电极加水，然后用一个施加电压将水分解为氢气和氧气制成。

当化学元素铱被用作从水分子中分解氧气的析氧反应的催化剂时该过程是最有效的。但铱只从陨石撞击中到达我们的星球到达，这使它既昂贵又稀缺。

但甚至用铱，这个过程也比科学家们相信的不那么有效。

西北大学化学教授、该研究的主要作者盖格（Franz Geiger）在一份声明中说：“它最终要用比理论计算更多的能量。如果你做数学计算，它应该需要1.23伏。但真实中它需要1.5或1.6伏。提供额外的电压要花钱，这就是为什么水分解还没有大规模实施的” 。

为更好地了解这一过程的能量需求以及为什么它比理论建议的效率更低，研究人员将水放在一个容器内的电极上，并用激光照射到分子上的的振幅和相位测量了分子的位置。

当科学家跨电极施加一个电压时，他们观察到分子迅速翻转和旋转以便它们的两个氢原子面朝上接触电极氧原子面朝下。

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盖革说，“电极带负电，因此水分子想把它的带正电的氢原子朝向电极的表面放。在该位置，电子从水的氧原子转移到电极的活性场所被阻断。当电场变得足够强时，它造成分子翻转，因此氧原子指向电极的表面。然后，氢原子走出，电子能从水的氧气移动到电极”。

通过测量旋转的分子数量和它们这样做所需的能量，研究人员发现这种翻转可能是分裂过程的一个必要且不可避免的。更重要的是，研究人员发现更高的pH值使这一过程更有效。

研究人员说，进一步研究这一过程可以帮助科学家设计更有效的催化剂用于该过程，并更好地了解所涉及的化学过程，同时也为水的行为提供新的见解。

盖格说，“我们的工作强调关于在界面上我们多不知道水的。水是棘手的，我们的新技术可以帮助我们更好地理解它一点点” 。

他补充道，“通过设计使水翻转更容易的新催化剂，我们可以使水分解更实用、更具成本效益”。

https://www.livescience.com/chemistry/scientists-spot-water-molecules-flipping-before-they-split-and-it-could-help-them-produce-cheaper-hydrogen-fuel