Науковці наблизилися до створення економічно вигідного водневого пального: розгадано таємницю водяної молекули.

Вчені вперше зафіксували в режимі реального часу процес розділення молекул води на водень і кисень, виявивши при цьому неочікуване явище.

Розщеплення молекул води вимагає більше енергії, ніж припускають розрахунки -- це ключова перешкода для виробництва дешевого водневого палива. На щастя, тепер учені нарешті з'ясували, чому, пише Live Science.

Науковці вперше зафіксували процес розділення молекул води в реальному часі, внаслідок чого утворюються водень і кисень. Вони виявили цікавий факт: перед початком розподілу молекули здійснили несподіване обертання на 180 градусів.

У Фокус. Технології тепер має власний Telegram-канал! Приєднуйтесь, щоб бути в курсі останніх та найцікавіших новин з галузі науки!

Схожий мікроакробатичний трюк потребує значної енергії, що пояснює, чому процес розщеплення води вимагає більшої кількості енергії, ніж це очікували теоретичні моделі. Вчені вважають, що глибше дослідження цього явища може привести до нових ідей, які сприятимуть підвищенню ефективності процесу розщеплення водяних молекул. Більше того, команда науковців переконана, що подальші експерименти можуть прокласти шлях до економічніших варіантів чистого водневого пального та кисню, придатного для дихання, для майбутніх місій на Марс.

Водень володіє рядом важливих характеристик, які роблять його перспективним джерелом екологічної енергії. Як вважають учені, це паливо, багате на цінні властивості, може забезпечувати енергією великогабаритні вантажівки та навіть морські судна. Більш того, воно є єдиною альтернативою традиційним викопним паливам у різних промислових секторах, зокрема в сталеливарному виробництві та виготовленні добрив. Однією з основних переваг водневого пального є те, що його згоряння призводить до утворення води, а не вуглекислого газу.

Проте існують і певні труднощі: високі енергетичні вимоги для отримання водню значно обмежують можливості його виробництва. Згідно з даними Міжнародного енергетичного агентства, для задоволення всіх глобальних потреб в енергії необхідно щорічно виробляти 322 мільйони тонн водневого пального. Натомість у 2023 році було виготовлено лише 97 мільйонів тонн, причому його вартість виявилась в 1,5-6 разів вищою, ніж вартість викопного пального. На жаль, значна частина цього водню була отримана з використанням традиційних викопних ресурсів.

Дослідники підкреслюють, що процес отримання водневого пального відбувається шляхом з'єднання води з електродом, після чого за допомогою прикладеного електричного струму відбувається розклад води на водень і кисень. Найвищу ефективність цього процесу демонструє використання іридію як каталізатора для реакції виділення кисню. Проте варто зазначити, що цей елемент не зустрічається в природі у великих кількостях, оскільки він потрапляє на Землю лише через метеоритні дощі, що робить його надзвичайно рідкісним та дорогим.

Проте це не єдина складність. Як зазначив провідний автор дослідження, професор хімії з Північно-Західного університету Франц Гейгер, навіть при використанні іридію, ефективність процесу залишається нижчою, ніж вчені спочатку очікували.

Отримані результати свідчать про те, що фактичні енергетичні витрати процесу перевищують попередні теоретичні розрахунки. Хоча спочатку оцінювали, що для роботи знадобиться лише 1,23 вольта, реальні показники виявилися значно вищими — на рівні 1,5 або 1,6 вольта. Це додаткове споживання електрики впливає на економічну доцільність, і саме через це технологія розщеплення води не була впроваджена в масовому масштабі.

У ході дослідження науковці зосередили увагу на виявленні причин, чому процес споживає більше енергії, ніж було передбачено. Для цього вони розмістили воду на електроді всередині спеціального контейнера і здійснили вимірювання позицій молекул, застосовуючи амплітуду та фазу лазерного світла, що на них спрямовувалося.

Коли дослідники підключили електрод до джерела напруги, вони виявили, що молекули миттєво змінили свою орієнтацію. Атоми водню, що контактують з електродом, піднялися вгору, тоді як атом кисню опустився вниз.

За словами Гейгера, електроди заряджені негативно, а тому молекула води хоче спрямувати свої позитивно заряджені атоми водню до поверхні електрода. У цьому положенні перенесення електронів від атома кисню води до активного центру електрода блокується. Коли електричне поле стає досить сильним, воно змушує молекули перевернутися, внаслідок чого атоми кисню вказують на поверхню електрода. Тоді атоми водню йдуть з дороги, і електрони можуть переміщатися від кисню води до електрода

Далі вчені виміряли кількість молекул, що обертаються, та енергію, необхідну для цього. Результати вказують на те, що такий переворот, ймовірно, є необхідною і неминучою частиною процесу розщеплення. Ба більше, команда також виявила, що вищі рівні pH роблять цей процес ефективнішим.

Тепер Гейгер з командою вважають, що подальше вивчення цього процесу, ймовірно, дасть змогу розробити ефективніші каталізатори, а також запропонувати нові ідеї про те, як поводиться вода.

Раніше в журналі Фокус було опубліковано інформацію про те, що науковці розробили інноваційний підхід до отримання пального із води та сонячної енергії.