Скрытая преграда водного расщепления: как молекулярный переворот тормозит будущее водородной энергет

Водное расщепление рассматривается как ключевой путь к созданию экологически чистого водородного топлива и, потенциально, к обеспечению дыхательного кислорода для внеземных миссий, например на Марсе. Однако на практике этот процесс остается энергоемким и неэффективным, поскольку требует значительно больше энергии, чем предсказывается теорией.
Скрытая преграда водного расщепления: как молекулярный переворот тормозит будущее водородной энергет
Изображение носит иллюстративный характер

Исследование группы химиков Северо-Западного университета под руководством Франца Гайгера, Чарльза Моррисона, профессора химии, впервые объяснило эту нестыковку на молекулярном уровне. Оказалось, что перед тем как вода выделяет атомы кислорода, ее молекулы совершают «переворот» — неожиданное и крайне затратное по энергии движение, которое долгое время ускользало от внимания ученых. «Мы показали, что переворот молекул воды — обязательный этап, непосредственно предшествующий выделению кислорода», — отмечает Гайгер.

Команда, в которую также вошли Рейден Спилман (ведущий автор), Эзра Маркер, Алекс Мартинсон (Аргоннская национальная лаборатория), Мавис Боама, Джейкоб Купферберг, Марк Энгельхард, Ятон Чжао и Кевин Россо (Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория), сумела впервые количественно оценить энергетическую цену этого процесса. Опыты показали: если повысить pH воды, то есть сделать ее более щелочной, затраты энергии на переворот молекул существенно снижаются, а эффективность всей реакции возрастает.

Технически водное расщепление состоит из двух полуреакций — получения водорода и образования кислорода (кислород-эволюционной реакции, OER). Проблемным остается именно последний этап, требующий на практике не менее 1,5–1,6 вольт при теоретическом минимуме в 1,23 вольта. Современные катализаторы, такие как иридий, хотя и эффективны, крайне дороги и редки. Ведутся поиски более доступных альтернатив, например на основе никеля и железа, обладающих высокими каталитическими свойствами.

В ходе экспериментов использовался гематит (оксид железа) — недорогой и распространенный минерал, потенциальная основа для солнечных водных фотоанодов. С помощью собственной методики — фазорезолвированной генерации второго гармонического излучения (PR-SHG) — исследователи наблюдали в реальном времени взаимодействие воды с электродом. До приложения напряжения молекулы воды ориентированы хаотично, но при достижении определенного порога электрического поля они резко «переворачиваются», направляя атомы кислорода к поверхности электрода.

Это переворачивание происходит строго перед началом выделения кислорода и является необходимым для передачи электрона с кислорода на электрод. До этого момента отрицательно заряженный электрод притягивает водородные атомы молекулы, блокируя процесс. Как только поле становится достаточно сильным, молекула совершает переворот, и электронный обмен становится возможным. Энергия, необходимая для этого движения, сопоставима с энергией, удерживающей воду в жидком состоянии.

Эксперименты подтвердили: при низком pH (меньше 9) переворот требует столь больших затрат, что почти не происходит, и реакция останавливается. При высоком pH процесс становится гораздо эффективнее: молекулы переворачиваются легче, и водное расщепление идет с меньшими энергозатратами.

Ранее, в марте, лаборатория Гайгера обнаружила аналогичный механизм переворота воды на никелевом электроде — результат опубликован в Science Advances. Это доказывает универсальность явления на разных типах электродов, как металлических, так и полупроводниковых.

Разработка солнечных фотоанодов на основе гематита, способных использовать энергию фотонов, может дополнительно снизить требуемое напряжение и удешевить производство водорода. Исследование ясно показывает, что для эффективного расщепления воды поверхности катализаторов должны проектироваться с расчетом на облегчение переворота молекул воды, что позволит ускорить электронный обмен и приблизить водородную экономику к реальности.

Результаты работы опубликованы в журнале Nature Communications.


Новое на сайте

20066[b]Фотосинтез в глазах мышей: возможно ли это без превращения в растение?[/b] 20065[b]СПКЯ стало СПМЯ: почему переименование болезни, затрагивающей миллионы женщин, заняло... 20064[b]Почему великая пирамида Гизы пережила все землетрясения за 4500 лет[/b] 20063[b]Генетика Homo erectus: что зубная эмаль рассказала о наших предках[/b] 20062[b]Кости в бухте эребус: что кости моряков Франклина рассказывают спустя полтора века[/b] 20061[b]Крупнейший плавучий ветрогенератор в мире: Китай испытывает установку у берегов... 20060[b]Карие глаза младенца стали индиго после лечения от COVID-19[/b] 20058[b]Почему серебряная чаша с Афиной пролежала в немецком лесу две тысячи лет?[/b] 20057[b]Дыра в атмосфере солнца: вспышка достигла пика и может зажечь полярное сияние[/b] 20056[b]Динго возрастом 950 лет: кто и зачем кормил могилу животного сотни лет?[/b] 20055[b]Томоэ гозэн: женщина-самурай, которая существовала на самом деле[/b] 20054[b]Что видели астронавты «Аполлона-12» над лунным горизонтом?[/b] 20053[b]Восковой блокнот на латыни и шёлковая туалетная бумага: кто посещал средневековый... 20052[b]Хантавирус на борту: 41 человек под наблюдением после рейса MV Hondius[/b]
Ссылка