Учені за крок від виробництва дешевшого водневого палива: розкрито секрет молекули води

Розщеплення молекул води вимагає більше енергії, ніж припускають розрахунки — це ключова перешкода для виробництва дешевого водневого палива. На щастя, тепер учені нарешті з'ясували, чому, пише Live Science.

Вчені вперше спостерігали, як молекули води в реальному часі розділяються з утворенням водню і кисню, і помітили дещо незвичне: прямо перед поділом, молекули зробили щось несподіване — перевернулися на 180 градусів.

У Фокус. Технології з'явився свій Telegram-канал. Підписуйтесь, щоб не пропускати найсвіжіші та найзахопливіші новини зі світу науки!

Подібний мікроакробатичний трюк вимагає енергії, що дає важливе пояснення того, чому розщеплення води вимагає більше енергії, ніж припускали теоретичні розрахунки. Тепер вчені вважають, що подальше вивчення цього процесу може надати ключові ідеї про те, як зробити процес розщеплення молекул води більш ефективним. Ба більше, команда вважає, що подальші дослідження можуть відкрити шлях до дешевшого чистого водневого палива і придатного для дихання кисню для майбутніх місій на Марс.

Виробництво водневого палива

Відомо, що водень має низку ключових властивостей, які роблять його привабливим джерелом зеленої енергії. На думку дослідників, це багате на низку ключових властивостей паливо здатне живити вантажівки та навіть вантажні судна, ба більше, це єдина альтернатива викопному паливу в низці галузей, наприклад, сталеливарній промисловості та виробництві добрив. Плюсом водневого палива є те, що під час спалювання воно виділяє воду замість вуглекислого газу.

Утім, є й проблеми — високі енергетичні вимоги до виробництва водню суттєво обмежують масштаби виробництва палива. За даними Міжнародного енергетичного агентства, для задоволення всіх світових потреб в енергії необхідне виробництво 322 мільйонів тонн водневого палива щорічно. Водночас у 2023 році було вироблено лише 97 мільйонів тонн із вартістю в 1,5-6 разів вищою, ніж виробництво викопного палива. На жаль, більшість запасів також було вироблено з використанням викопного палива.

Науковці зазначають, що водневе паливо виробляють шляхом додавання води до електрода і подальшого розщеплення води за допомогою прикладеної напруги на водень і кисень. Відомо, що процес найефективніший, коли як каталізатор реакції виділення кисню використовується іридій. Однак цей хімічний елемент не присутній сам по собі в надрах планети, а потрапляє на Землю лише внаслідок падіння метеоритів — це робить його рідкісним і дорогим.

Але навіть це не єдина проблема. За словами провідного автора дослідження, професора хімії в Північно-Західному університеті Франца Гейгера, навіть за умови використання іридію процес все ще менш ефективний, ніж спочатку припускали вчені.

Результати показали, що процес насправді споживає більше енергії, ніж раніше було розраховано теоретично. Розрахунки показують, що буде потрібно лише 1,23 вольта, але насправді потрібно значно більше — 1,5 або 1,6 вольта. Облік цієї додаткової напруги коштує грошей, і саме тому розщеплення води не було реалізовано у великих масштабах

Під час дослідження вчені зосередилися на тому, щоб зрозуміти, чому процес вимагає більше енергії, ніж було розраховано. Для цього вони помістили воду на електрод усередині контейнера і виміряли положення молекул, використовуючи амплітуду і фазу лазерного світла, спрямованого на них.

Коли вчені подали напругу на електрод, вони помітили, що молекули швидко перевернулися та оберталися так, що два їхні атоми водню, які торкаються електрода, були звернені вгору, а атом кисню — вниз.

За словами Гейгера, електроди заряджені негативно, а тому молекула води хоче спрямувати свої позитивно заряджені атоми водню до поверхні електрода. У цьому положенні перенесення електронів від атома кисню води до активного центру електрода блокується. Коли електричне поле стає досить сильним, воно змушує молекули перевернутися, внаслідок чого атоми кисню вказують на поверхню електрода. Тоді атоми водню йдуть з дороги, і електрони можуть переміщатися від кисню води до електрода

Далі вчені виміряли кількість молекул, що обертаються, та енергію, необхідну для цього. Результати вказують на те, що такий переворот, ймовірно, є необхідною і неминучою частиною процесу розщеплення. Ба більше, команда також виявила, що вищі рівні pH роблять цей процес ефективнішим.

Тепер Гейгер з командою вважають, що подальше вивчення цього процесу, ймовірно, дасть змогу розробити ефективніші каталізатори, а також запропонувати нові ідеї про те, як поводиться вода.

Раніше Фокус писав про те, що вчені створили революційний метод виробництва палива з води й сонячного світла.