科學家首次觀察到水分子實時分裂以形成氫和氧氣。
就在它們分裂之前，分子做了一些完全出乎意料的事情：它們翻轉了180度。
這種微型雜技特技表演需要能量，這為為什麼分裂水比理論計算更多的能量提供了重要的解釋。
研究人員說，進一步研究這一點可以為使水分子更有效地拆分水分子的過程提供關鍵的見解 - 為未來火星任務的更便宜的清潔氫燃料和透氣氧氣打開了途徑。他們於3月5日在《雜誌》上發表了他們的發現科學進步。
製造氫燃料
氫具有許多關鍵特性，使其成為綠色能源的誘人來源。能源豐富的燃料能夠為卡車甚至貨船供電，它是鋼鐵和肥料製造等行業中化石燃料的唯一替代品。燃燒時，燃料會釋放水而不是二氧化碳。
然而，氫產量的陡峭能源需求嚴重限制了產生燃料的規模。根據國際能源管理局的說法3.22億噸（3.54億噸）氫燃料每年都需要生產以滿足全球能源需求。但是在2023年，只有9700萬噸（1.07億噸）以貨幣成本製造1.5至六倍比化石燃料的產量相比，絕大多數也是使用化石燃料製成的。
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氫燃料是通過將水加到電極中，然後用施加電壓將水分成氫和氧氣而製成的。
當將化學元件虹膜用作將氧氣從水分子中裂解的氧氣進化反應的催化劑時，此過程是最有效的。但是，虹膜僅來自隕石的影響才能到達我們的星球，從而使其昂貴和稀缺。
但是，即使使用虹膜，該過程的效率也不如科學家認為的效率。
“它最終佔用比理論上計算的要多的能量。如果您進行數學，則需要1.23伏。但實際上，它需要更像1.5或1.6伏特，”研究負責人作者弗朗茲·蓋格（Franz Geiger），西北大學化學教授，在一份聲明中說。 “提供額外的電壓要花錢，這就是為什麼尚未大規模實施水分的原因。”
為了更好地理解此過程的能量需求以及為什麼它比理論提出的效率較低，研究人員將水放在容器內部的電極上，並使用激光光的振幅和相位照射到它們的振幅和相位。
當科學家在電極上施加電壓時，他們觀察到該分子迅速翻轉並旋轉，因此他們的兩個氫原子接觸到朝向的電極，氧原子朝向下。
Geiger說：“電極充電，因此水分子希望將其帶正電荷的氫原子放在電極表面。” “在該位置，電子從水的氧原子轉移到電極的活性位點被阻塞。當電場變得足夠強時，它會導致分子翻轉，因此氧原子朝向電極的表面。然後，氫原子不在方向上，電子可以從水的氧氣轉移到電極。”
通過測量旋轉分子的數量以及它們所需的能量，研究人員發現這種翻轉可能是分裂過程中必要且不可避免的部分。更重要的是，研究人員發現較高的pH值使這一過程更加有效。
研究人員說，進一步研究這一過程可以幫助科學家設計更有效的催化劑以在過程中使用，並更好地了解所涉及的化學過程，同時還為水的行為方式提供了新的見解。
蓋格說：“我們的工作強調了我們對界面上的水的了解很少。” “水很棘手，我們的新技術可以幫助我們更好地理解它。”
“設計新催化劑這使水更容易，我們可以使水分裂更加實用和成本效益。”他補充說。
