Раскрыт секрет молекул воды: ученые нашли способ создать дешевое водородное топливо

Учёные сделали важное открытие, которое может существенно снизить стоимость производства водородного топлива.

Химики обнаружили скрытый энергетический барьер в процессе расщепления молекул воды — ключевом этапе получения водорода. Исследование опубликовано в Nature Communications, а его суть объясняет Interesting Engineering.

Процесс водоразложения теоретически кажется простым: нужно всего 1,2 вольта напряжения, чтобы разделить воду на водород и кислород. Однако на практике для этого требуется 1,5–1,6 вольта, что делает технологию менее эффективной и более дорогой. Учёные задались вопросом: почему так происходит?

Ответ оказался в молекулах воды и их поведении под воздействием электрического поля. В эксперименте использовались электроды из гематита (минерал, богатый железом), на которые подавали напряжение. Когда напряжение прикладывается, молекулы воды, состоящие из отрицательно заряженного атома кислорода и положительно заряженных атомов водорода, переворачиваются — водородными концами к электродной поверхности. Это мешает переносу электронов от кислорода к электроду, тем самым блокируя критически важную реакцию — выделение кислорода.

Однако при более высоком напряжении или в условиях высокого pH молекулы воды могут перевернуться «обратно» — кислородным концом к электроду. Тогда электроны от кислорода свободно перетекают к активному участку электрода, а водород отделяется. Именно этот момент — “переворот” молекулы — и является тем самым энергетическим барьером, который долгое время оставался незамеченным.

Что особенно важно — химики нашли зависимость этого переворота от pH воды. В щелочной среде (высокий pH) переворот и, соответственно, расщепление происходят эффективнее. А в кислой среде (низкий pH) это требует больше энергии.

Теперь, когда учёные поняли природу этой энергетической преграды, они предлагают разрабатывать новые катализаторы, которые помогут молекулам воды быстрее и проще «переворачиваться». Это позволит проводить реакцию при меньших затратах энергии, что резко удешевит производство водорода.

Кроме того, специалисты подчеркивают, что для масштабного перехода на водородное топливо нужно использовать электрокатализаторы с подходящими оптическими и электропроводящими свойствами, а также задействовать солнечную энергию. Свет помогает снизить напряжение, необходимое для реакций, а значит — делает процесс ещё более экономичным.

Это исследование — шаг вперёд в энергетической революции: возможность получать чистый водород из воды дёшево и эффективно открывает новые горизонты для отказа от ископаемого топлива.

Источник: Interesting Engineering