化学家发现了氢燃料生产中水分解的隐藏能量屏障

这些结果不仅仅解释了水分解的低效率；他们还提供了一个如何使它变得更好的指南。

长期以来，水分解一直被誉为清洁氢燃料的有前途的途径。但是，虽然这个过程在纸面上看起来很优雅，但在实践中却效率低下，需要的能量比理论预测的要多得多。现在，西北大学的科学家们发现了这种能量缺口背后的一个令人惊讶的罪魁祸首。

“当你把水分开时，会发生两个半反应，”西北大学的Franz Geiger说，他是这项研究的负责人。产生氧气的半反应很难进行，因为所有的东西都要排列整齐。它最终消耗的能量比理论计算的要多。如果你算一下，它应该需要1.23伏特。但实际上，它需要1.5或1.6伏的电压。”

“提供额外的电压需要花钱，这就是为什么水分解没有大规模实施的原因。通过设计新的催化剂，使水更容易翻转，我们可以使水分解更加实用和经济。”

这项研究表明，这种分子戏法是氧气演化的关键障碍，是水分裂过程中一个关键的半反应。更重要的是，研究人员发现，调整水的pH值可以使翻转更容易 —— 为优化反应和降低清洁氢燃料的成本开辟了新的途径。

分裂前的一个把戏

为了找到难以捉摸的析氧反应（OER），Geiger的团队使用了一种富含铁的矿物赤铁矿作为电极。Geiger的实验室制造了一种水PR SHG技术，可以让他们观察电极表面上的水分子动力学。

实现氧气翻转是有代价的。计算了水分子重排所需的能量消耗，结果几乎等于液体状态下的结合能水。

“这些电极带负电，所以水分子想把带正电的氢原子放到电极表面，”Geiger说。“在那个位置，电子从水中的氧原子到电极活性部位的转移被阻止了。”

“我们发现，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表面。然后，氢原子就不碍事了，电子就可以从水中的氧原子移动到电极上。”

重要的是，科学家们发现，相对于水的pH值，分子在某些条件下更容易翻转。在较高的pH值（碱性）下，翻转的阻力较小，这导致了更有效的反应。在较低的pH值下，翻转变得更昂贵的能量，使电化学过程缓慢。

朝着更好的催化剂和氢经济发展

这些结果不仅仅解释了水分解的低效率；他们还提供了一个如何使它变得更好的指南。

Geiger说：“一个关键目标是摆脱化石燃料，转向氢经济。”“一个长期追求的想法是使用一种具有正确电催化和光学特性的材料。通过太阳辐射，它产生催化活性位点，进行电化学反应。”

“你仍然需要施加电流来进行电化学反应，但太阳的光子允许你施加更少的电压。电压越小，燃料就越便宜。我们的研究表明，催化剂表面需要进行定制，以促进水的翻转，从而启动电子转移。”

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