科学家发现水分子在分裂前翻转，这可以帮助他们生产更便宜的氢燃料

科学家首次观察到水分子实时分裂形成氢和氧。

就在它们分裂之前，分子做了一些完全出乎意料的事情：它们翻转了 180 度。

研究人员表示，进一步研究这一点可以为提高水分子分裂过程的效率提供重要见解，为未来的火星任务开辟一条获得更便宜的清洁氢燃料和可呼吸氧气的途径。他们于 3 月 5 日在期刊上发表了他们的发现科学进步。

制造氢燃料

氢具有许多关键特性，使其成为诱人的绿色能源。这种能源丰富的燃料能够为卡车甚至货船提供动力，并且是钢铁和化肥制造等行业中化石燃料的唯一替代品。燃烧时，燃料释放出水而不是二氧化碳。

然而，氢气生产的巨大能源需求严重限制了燃料的生产规模。据国际能源管理局称，3.22亿吨（3.54亿吨）氢燃料每年需要生产以满足全球能源需求。但到 2023 年，仅以货币成本生产了 9700 万吨（1.07 亿吨）1.5 至 6 倍比化石燃料生产——而且绝大多数也是使用化石燃料生产的。

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氢燃料是通过向电极添加水，然后通过施加电压将水分解成氢气和氧气来制造的。

当化学元素铱用作从水分子中裂解氧气的析氧反应的催化剂时，该过程最为有效。但铱只能通过陨石撞击到达我们的星球，这使得它成本高昂且稀缺。

但即使使用铱，该过程的效率也低于科学家认为的应有效率。

“它最终消耗的能量比理论计算的要多。如果你计算一下，它应该需要 1.23 伏。但实际上，它需要的电压更像是 1.5 或 1.6 伏，”研究主要作者弗朗兹·盖革西北大学化学教授，在一份声明中说。 “提供额外的电压需要花钱，这就是水分解尚未大规模实施的原因。”

为了更好地了解这个过程的能量需求以及为什么它的效率低于理论建议的原因，研究人员将水放在容器内的电极上，并使用照射到分子上的激光的振幅和相位来测量分子的位置。

当科学家在电极上施加电压时，他们观察到分子迅速翻转和旋转，使得接触电极的两个氢原子朝上，氧原子朝下。

“电极带负电，因此水分子希望将带正电的氢原子移向电极表面，”盖革说。 “在这个位置，电子从水的氧原子到电极活性位点的转移被阻止。当电场变得足够强时，它会导致分子翻转，因此氧原子指向电极的表面。然后，氢原子就会避开，电子可以从水的氧移动到电极。”

通过测量旋转分子的数量以及它们旋转所需的能量，研究人员发现这种翻转可能是分裂过程中必要且不可避免的部分。更重要的是，研究人员发现较高的 pH 值使这一过程更加有效。

研究人员表示，进一步研究这一过程可以帮助科学家设计出更有效的催化剂用于该过程，并更好地了解所涉及的化学过程，同时还为水的行为提供了新的见解。

“我们的工作强调了我们对界面处的水知之甚少，”盖格说。 “水是很棘手的，我们的新技术可以帮助我们更好地理解它。”

“通过设计新催化剂使水翻转变得更容易，我们可以使水分解更加实用和更具成本效益，”他补充道。