這些結(jié)果不僅僅解釋了水分解的低效率；他們還提供了一個如何使它變得更好的指南。
長期以來，水分解一直被譽為清潔氫燃料的有前途的途徑。但是，雖然這個過程在紙面上看起來很優(yōu)雅，但在實踐中卻效率低下，需要的能量比理論預(yù)測的要多得多?，F(xiàn)在，西北大學(xué)的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了這種能量缺口背后的一個令人驚訝的罪魁禍首。
“當(dāng)你把水分開時，會發(fā)生兩個半反應(yīng)，”西北大學(xué)的Franz Geiger說，他是這項研究的負責(zé)人。產(chǎn)生氧氣的半反應(yīng)很難進行，因為所有的東西都要排列整齊。它最終消耗的能量比理論計算的要多。如果你算一下，它應(yīng)該需要1.23伏特。但實際上，它需要1.5或1.6伏的電壓。”
“提供額外的電壓需要花錢，這就是為什么水分解沒有大規(guī)模實施的原因。通過設(shè)計新的催化劑，使水更容易翻轉(zhuǎn)，我們可以使水分解更加實用和經(jīng)濟?！?/p>
這項研究表明，這種分子戲法是氧氣演化的關(guān)鍵障礙，是水分裂過程中一個關(guān)鍵的半反應(yīng)。更重要的是，研究人員發(fā)現(xiàn)，調(diào)整水的pH值可以使翻轉(zhuǎn)更容易 —— 為優(yōu)化反應(yīng)和降低清潔氫燃料的成本開辟了新的途徑。
分裂前的一個把戲
為了找到難以捉摸的析氧反應(yīng)（OER），Geiger的團隊使用了一種富含鐵的礦物赤鐵礦作為電極。Geiger的實驗室制造了一種水PR SHG技術(shù)，可以讓他們觀察電極表面上的水分子動力學(xué)。
實現(xiàn)氧氣翻轉(zhuǎn)是有代價的。計算了水分子重排所需的能量消耗，結(jié)果幾乎等于液體狀態(tài)下的結(jié)合能水。
“這些電極帶負電，所以水分子想把帶正電的氫原子放到電極表面，”Geiger說?！霸谀莻€位置，電子從水中的氧原子到電極活性部位的轉(zhuǎn)移被阻止了。”
“我們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電場變得足夠強時，它會導(dǎo)致分子翻轉(zhuǎn)，因此氧原子指向電極表面。然后，氫原子就不礙事了，電子就可以從水中的氧原子移動到電極上?！?/p>
重要的是，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，相對于水的pH值，分子在某些條件下更容易翻轉(zhuǎn)。在較高的pH值（堿性）下，翻轉(zhuǎn)的阻力較小，這導(dǎo)致了更有效的反應(yīng)。在較低的pH值下，翻轉(zhuǎn)變得更昂貴的能量，使電化學(xué)過程緩慢。
朝著更好的催化劑和氫經(jīng)濟發(fā)展
這些結(jié)果不僅僅解釋了水分解的低效率；他們還提供了一個如何使它變得更好的指南。
Geiger說：“一個關(guān)鍵目標是擺脫化石燃料，轉(zhuǎn)向氫經(jīng)濟?！薄耙粋€長期追求的想法是使用一種具有正確電催化和光學(xué)特性的材料。通過太陽輻射，它產(chǎn)生催化活性位點，進行電化學(xué)反應(yīng)?！?/p>
“你仍然需要施加電流來進行電化學(xué)反應(yīng)，但太陽的光子允許你施加更少的電壓。電壓越小，燃料就越便宜。我們的研究表明，催化劑表面需要進行定制，以促進水的翻轉(zhuǎn)，從而啟動電子轉(zhuǎn)移。”
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