科学家发现水分子在分裂前会翻转，可以帮助生产更便宜的氢燃料

分解水分子所消耗的能量比计算结果显示的要多，这也是生产廉价氢燃料的一个关键障碍。现在，科学家们已经找到了原因。

科学家们第一次观察到水分子实时分裂形成氢和氧。

就在它们分裂之前，分子做了一件完全出乎意料的事情：它们翻转了180度。

这种微型杂技特技需要能量，这就解释了为什么分解水需要比理论计算更多的能量。

研究人员说，进一步研究这个问题可以为更有效地分解水分子的过程提供关键的见解，为未来的火星任务开辟一条更便宜的清洁氢燃料和可呼吸的氧气的道路。他们在3月5日的《科学进展》杂志上发表了他们的研究结果。

制造氢燃料

氢具有许多关键特性，使其成为一种诱人的绿色能源。这种富含能源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。当它燃烧时，燃料会释放水而不是二氧化碳。

然而，氢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，每年需要生产3.54亿吨氢燃料才能满足全球能源需求。但到2023年，只有1.07亿吨的生产成本是化石燃料产量的1.5至6倍，而且其中绝大多数也使用化石燃料生产。

氢燃料是通过向电极中加水，然后在施加电压的情况下将水分解为氢气和氧气而制成的。

当化学元素铱被用作析氧反应的催化剂时，这个过程是最有效的，析氧反应从水分子中分离氧气。但铱只能通过陨石撞击到达我们的星球，这使得它既昂贵又稀缺。

但即使使用铱，这一过程的效率也不如科学家们认为的那样高。

“它最终消耗的能量比理论上计算的要多。如果你算一下，它应该需要1.23伏特。但实际上，它更需要1.5或1.6伏的电压，”该研究的主要作者、西北大学化学教授弗朗茨·盖格在一份声明中说。“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。”

为了更好地理解这一过程的能量需求，以及为什么它的效率比理论所认为的要低，研究人员将水放在容器内的电极上，并利用照射到它们上的激光的振幅和相位来测量分子的位置。

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

“电极是带负电的，所以水分子想把带正电的氢原子放到电极表面，”盖格说。在那个位置，电子从水的氧原子转移到电极的活性部位被阻止了。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。”

通过测量旋转分子的数量和它们旋转所需的能量，研究人员发现，这种翻转很可能是分裂过程中必要和不可避免的一部分。更重要的是，研究人员发现，更高的pH值使这一过程更有效。

研究人员说，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，并更好地理解所涉及的化学过程，同时也为水的行为提供了新的见解。

盖格说：“我们的工作强调了我们对界面上的水知之甚少。”“水很棘手，我们的新技术可以帮助我们更好地了解它。”

他补充说：“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。”

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