เป็นครั้งแรกที่นักวิทยาศาสตร์ได้สังเกตเห็นโมเลกุลของน้ำที่แยกออกจากกันแบบเรียลไทม์เพื่อสร้างไฮโดรเจนและออกซิเจน
และก่อนที่พวกเขาจะแยกโมเลกุลทำสิ่งที่ไม่คาดคิดอย่างสมบูรณ์: พวกเขาพลิก 180 องศา
การแสดงผาดโผนไมโครนี้ใช้พลังงานซึ่งเสนอคำอธิบายที่สำคัญสำหรับสาเหตุที่การแยกน้ำใช้พลังงานมากกว่าการคำนวณเชิงทฤษฎีที่แนะนำ
นักวิจัยกล่าวว่าการศึกษาเรื่องนี้เพิ่มเติมอาจนำเสนอข้อมูลเชิงลึกที่สำคัญในการทำให้กระบวนการแยกโมเลกุลของน้ำมีประสิทธิภาพมากขึ้น - การเปิดเส้นทางสู่เชื้อเพลิงไฮโดรเจนที่สะอาดและออกซิเจนที่ระบายอากาศได้สำหรับภารกิจ Mars ในอนาคต พวกเขาตีพิมพ์ผลการวิจัยของพวกเขาในวันที่ 5 มีนาคมในวารสารความก้าวหน้าทางวิทยาศาสตร์-
ทำเชื้อเพลิงไฮโดรเจน
ไฮโดรเจนมีคุณสมบัติหลักจำนวนมากที่ทำให้เป็นแหล่งพลังงานสีเขียวที่น่าดึงดูด เชื้อเพลิงที่อุดมด้วยพลังงานมีความสามารถในการขับเคลื่อนรถบรรทุกและแม้แต่เรือบรรทุกสินค้าและเป็นทางเลือกเดียวสำหรับเชื้อเพลิงฟอสซิลในอุตสาหกรรมเช่นการผลิตเหล็กและปุ๋ย เมื่อถูกเผาไหม้เชื้อเพลิงจะปล่อยน้ำแทนคาร์บอนไดออกไซด์
แต่ความต้องการพลังงานที่สูงชันสำหรับการผลิตไฮโดรเจน จำกัด ระดับที่ผลิตเชื้อเพลิงอย่างรุนแรง ตามหน่วยงานพลังงานระหว่างประเทศเชื้อเพลิงไฮโดรเจน 322 ล้านตัน (354 ล้านตัน)จำเป็นต้องผลิตในแต่ละปีเพื่อตอบสนองความต้องการพลังงานระดับโลก แต่ในปี 2566 มีการผลิตเพียง 97 ล้านตัน (107 ล้านตัน) ในราคาการเงิน1.5 ถึงหกเท่ากว่าการผลิตเชื้อเพลิงฟอสซิล - และส่วนใหญ่ทำโดยใช้เชื้อเพลิงฟอสซิลด้วย
ที่เกี่ยวข้อง:
เชื้อเพลิงไฮโดรเจนทำโดยการเติมน้ำลงในอิเล็กโทรดจากนั้นแยกน้ำด้วยแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ในไฮโดรเจนและออกซิเจน
กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพมากที่สุดเมื่อใช้อิริเดียมองค์ประกอบทางเคมีเป็นตัวเร่งปฏิกิริยาสำหรับปฏิกิริยาวิวัฒนาการของออกซิเจนที่แยกออกซิเจนออกจากโมเลกุลของน้ำ แต่อิริเดียมมาถึงโลกของเราจากผลกระทบอุกกาบาตเท่านั้นทำให้มีค่าใช้จ่ายสูงและหายาก
แต่ถึงแม้จะใช้อิริเดียมกระบวนการก็มีประสิทธิภาพน้อยกว่าที่นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าควรจะเป็น
“ มันจบลงด้วยการใช้พลังงานมากกว่าการคำนวณทางทฤษฎีถ้าคุณทำคณิตศาสตร์มันควรจะต้องใช้ 1.23 โวลต์ แต่ในความเป็นจริงมันต้องใช้มากกว่า 1.5 หรือ 1.6 โวลต์” ผู้เขียนนำการศึกษาFranz Geigerศาสตราจารย์วิชาเคมีที่ Northwestern Universityกล่าวในแถลงการณ์- "การให้แรงดันไฟฟ้าพิเศษนั้นมีค่าใช้จ่ายเงินและนั่นเป็นสาเหตุที่การแยกน้ำไม่ได้ถูกนำไปใช้ในขนาดใหญ่"
เพื่อให้เข้าใจถึงความต้องการพลังงานของกระบวนการนี้ได้ดีขึ้นและทำไมจึงมีประสิทธิภาพน้อยกว่าทฤษฎีที่แนะนำนักวิจัยวางน้ำไว้บนอิเล็กโทรดภายในภาชนะและวัดตำแหน่งของโมเลกุลโดยใช้แอมพลิจูดและเฟสของแสงเลเซอร์ส่องเข้ามา
เมื่อนักวิทยาศาสตร์ใช้แรงดันไฟฟ้าข้ามอิเล็กโทรดพวกเขาสังเกตเห็นว่าโมเลกุลพลิกอย่างรวดเร็วและหมุนเพื่อให้อะตอมไฮโดรเจนทั้งสองของพวกเขาสัมผัสอิเล็กโทรดที่หันหน้าเข้าหาและอะตอมออกซิเจนจะเผชิญหน้า
“ อิเล็กโทรดมีประจุลบดังนั้นโมเลกุลของน้ำจึงต้องการวางอะตอมไฮโดรเจนที่มีประจุบวกไปยังพื้นผิวของอิเล็กโทรด” Geiger กล่าว "ในตำแหน่งนั้นการถ่ายโอนอิเล็กตรอนจากอะตอมออกซิเจนของน้ำไปยังไซต์ที่ใช้งานของอิเล็กโทรดจะถูกปิดกั้นเมื่อสนามไฟฟ้ามีความแข็งแรงพอมันจะทำให้โมเลกุลพลิกดังนั้นอะตอมของออกซิเจนจะชี้ไปที่พื้นผิวอิเล็กโทรดจากนั้นอะตอมไฮโดรเจนก็ออกไป
โดยการวัดจำนวนโมเลกุลที่หมุนและพลังงานที่จำเป็นสำหรับพวกเขาในการทำเช่นนั้นนักวิจัยพบว่าการพลิกนี้น่าจะเป็นส่วนที่จำเป็นและหลีกเลี่ยงไม่ได้ของกระบวนการแยก ยิ่งไปกว่านั้นนักวิจัยค้นพบว่าระดับ pH ที่สูงขึ้นทำให้กระบวนการนี้มีประสิทธิภาพมากขึ้น
การศึกษากระบวนการนี้เพิ่มเติมสามารถช่วยให้นักวิทยาศาสตร์ออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการใช้ในกระบวนการและเพื่อให้เข้าใจกระบวนการทางเคมีที่เกี่ยวข้องได้ดีขึ้นนักวิจัยกล่าวในขณะที่ยังให้ข้อมูลเชิงลึกใหม่เกี่ยวกับวิธีการทำงานของน้ำ
“ งานของเราตอกย้ำว่าเรารู้เรื่องน้ำที่อินเทอร์เฟซน้อยเพียงใด” Geiger กล่าว "น้ำเป็นเรื่องยากและเทคโนโลยีใหม่ของเราสามารถช่วยให้เราเข้าใจได้ดีขึ้นเล็กน้อย"
"โดยการออกแบบตัวเร่งปฏิกิริยาใหม่นั่นทำให้การพลิกน้ำง่ายขึ้นเราสามารถทำให้น้ำแยกการใช้งานได้จริงและคุ้มค่ามากขึ้น "เขากล่าวเสริม
