Производство чистого водородного топлива путем расщепления воды вызывает большой интерес у ученых, однако этот процесс требует больше энергии, чем предполагают теоретические расчеты. Исследователи из Северо-Западного университета (Northwestern University) выяснили причину этой повышенной энергоемкости: непосредственно перед выделением кислорода молекулы воды совершают неожиданный «переворот», на который затрачивается значительное количество дополнительной энергии.
Команда не только наблюдала этот «переворот» молекул воды, но и количественно оценила точные энергетические затраты, связанные с этим критическим этапом. Оказалось, что именно эта молекулярная «акробатика» является основным фактором, снижающим эффективность расщепления воды. Кроме того, ученые обнаружили, что повышение уровня pH воды снижает эти энергетические затраты, способствуя повышению общей эффективности процесса.
Руководитель исследования Франц Гайгер из Северо-Западного университета поясняет, что при расщеплении воды происходят две полуреакции: одна производит водород, а другая – кислород. Именно полуреакция образования кислорода оказывается особенно сложной, так как требует точного выравнивания всех компонентов и в итоге потребляет больше энергии, чем рассчитано теоретически.
На фоне продолжающегося изменения климата ученые все активнее рассматривают расщепление воды как способ получения чистой водородной энергии, альтернативной ископаемому топливу. Технология включает добавление воды к электроду и приложение напряжения. Электричество разделяет молекулы воды на водород и кислород без нежелательных побочных продуктов. Полученный водород можно использовать как топливо или применять вместе с кислородом в энергоэффективных топливных элементах.
Хотя расщепление воды может сыграть важную роль в будущей экономике чистой энергии, оно сталкивается с рядом трудностей. Основная проблема заключается в том, что кислородная часть реакции, называемая реакцией выделения кислорода (OER), может быть сложной и неэффективной. Франц Гайгер говорит, что хотя наибольшая эффективность достигается при использовании иридия в качестве электрода, ученым необходимы более доступные альтернативы. Иридий попадает на Землю только с метеоритами, его запасы ограничены, он очень дорог и вряд ли поможет решить энергетический кризис в ближайшее время. Исследователи изучают альтернативы, такие как никель и железо, и надеются найти способы сделать эти материалы столь же эффективными.
Для изучения этого скрытого процесса команда применила передовой лазерный метод, известный как фазово-разрешенная генерация второй гармоники (PR-SHG). Эта технология позволяет наблюдать за молекулами воды на границе раздела с электродом в реальном времени по мере протекания реакций. В эксперименте в качестве электрода использовался гематит – недорогой полупроводник на основе железа. Направляя лазер на гематит в воде, ученые отслеживали ориентацию молекул воды при подаче напряжения.
Наблюдения показали, что первоначально неупорядоченные молекулы воды «переворачивались», ориентируя свои атомы кислорода к поверхности электрода. Такое выравнивание обеспечивает решающий перенос электронов, необходимый для реакции выделения кислорода.
Исследователи количественно оценили как число «переворачивающихся» молекул, так и энергию, необходимую для этой переориентации. Они установили, что требуемая энергия близка к энергии, удерживающей молекулы воды вместе в жидком состоянии. Это указывает на то, что «переворот» – не случайное явление, а ключевой фактор, объясняющий, почему расщепление воды требует больше энергии, чем предсказывает теория. Также было подтверждено, что уровень pH воды влияет на ориентацию молекул: при низких значениях pH требовалось больше энергии для «переворота» молекул в правильное положение, тогда как более высокие уровни pH делали процесс более энергоэффективным.
Это исследование развивает предыдущую работу лаборатории Гайгера, в которой аналогичное поведение «переворота» наблюдалось при использовании никелевых электродов. Тот факт, что это свойство проявляется как на металлах, так и на полупроводниках, позволяет предположить, что «переворот» воды является общей особенностью процесса ее расщепления, а не изолированным феноменом.
Разработка катализаторов, облегчающих «переворот» молекул воды, может значительно снизить энергетические потребности процесса. Адаптируя поверхности электродов для поддержки этого молекулярного движения, исследователи могут приблизиться к созданию практичного и экономически эффективного производства водородного топлива, что станет важным шагом на пути к будущему чистой энергетики.
+ There are no comments
Add yours