Pour la première fois, les scientifiques ont observé des molécules d’eau se séparant en temps réel pour former de l’hydrogène et de l’oxygène.
Et juste avant de se séparer, les molécules ont fait quelque chose de complètement inattendu: ils ont retourné 180 degrés.
Cette cascadeur micro acrobatique prend de l’énergie, ce qui offre une explication cruciale pour expliquer pourquoi la division de l’eau prend plus d’énergie que les calculs théoriques suggérés.
Les chercheurs disent que l’étude de cela pourrait offrir des informations clés pour rendre le processus de division des molécules d’eau plus efficaces – ouvrant une voie pour un carburant d’hydrogène propre moins cher et de l’oxygène respirant pour les futures missions Mars. Ils ont publié leurs conclusions le 5 mars dans la revue Avancées scientifiques.
Faire du carburant d’hydrogène
L’hydrogène possède un certain nombre de propriétés clés qui en font une source séduisante d’énergie verte. Le carburant riche en énergie est capable d’alimenter les camions et même des cargos, et c’est la seule alternative aux combustibles fossiles dans des industries telles que la fabrication d’acier et d’engrais. Lorsqu’il est brûlé, le carburant libère de l’eau au lieu du dioxyde de carbone.
Pourtant, les besoins énergétiques abruptes pour la production d’hydrogène limitent gravement l’échelle à laquelle le carburant est produit. Selon l’International Energy Authority, 322 millions de tonnes (354 millions de tonnes) de carburant d’hydrogène doit être produit chaque année pour répondre aux besoins énergétiques mondiaux. Mais en 2023, seulement 97 millions de tonnes (107 millions de tonnes) ont été fabriquées à un coût monétaire 1,5 à six fois plus élevé que la production de combustibles fossiles – et la grande majorité de celle-ci a également été fabriquée à l’aide de combustibles fossiles.
Le carburant d’hydrogène est fabriqué en ajoutant de l’eau à une électrode, puis en divisant l’eau avec une tension appliquée dans l’hydrogène et l’oxygène.
Ce processus est le plus efficace lorsque l’élément chimique Iridium est utilisé comme catalyseur pour la réaction d’évolution de l’oxygène qui clive à l’oxygène des molécules d’eau. Mais l’Iridium ne vient que sur notre planète des impacts de météorite, le rendant coûteux et rare.
Mais même lors de l’utilisation de l’Iridium, le processus est moins efficace que les scientifiques ne le pensent.
« Cela finit par prendre plus d’énergie que théoriquement calculé. Si vous faites le calcul, cela devrait nécessiter 1,23 volts. Mais, en réalité, cela nécessite plus de 1,5 ou 1,6 volts », auteur principal de l’étude Franz Geigerprofesseur de chimie à la Northwestern University, dit dans un communiqué. « Fournir cette tension supplémentaire coûte de l’argent, et c’est pourquoi le fractionnement de l’eau n’a pas été mis en œuvre à grande échelle. »
Pour mieux comprendre les besoins énergétiques de ce processus et pourquoi il est moins efficace que la théorie ne le suggère, les chercheurs ont placé de l’eau sur une électrode à l’intérieur d’un récipient et ont mesuré les positions des molécules en utilisant l’amplitude et la phase de la lumière laser brillante sur eux.
Lorsque les scientifiques ont appliqué une tension à travers l’électrode, ils ont observé que les molécules se retournaient rapidement et tournaient de sorte que leurs deux atomes d’hydrogène touchant l’électrode se sont affrontés et l’atome d’oxygène tourné vers le bas.
« Les électrodes sont chargées négativement, de sorte que la molécule d’eau veut mettre ses atomes d’hydrogène chargés positivement vers la surface de l’électrode », a déclaré Geiger. « Dans cette position, le transfert d’électrons de l’atome d’oxygène de l’eau vers le site actif de l’électrode est bloqué. Lorsque le champ électrique devient suffisamment fort, il provoque un retournement des molécules, de sorte que les atomes d’oxygène pointent vers la surface de l’électrode. Ensuite, les atomes d’hydrogène sont hors du chemin, et les électrons peuvent se déplacer de l’oxygène de l’eau à l’électrode. »
En mesurant le nombre de molécules qui tournaient et l’énergie requise pour qu’ils le fassent, les chercheurs ont constaté que ce retournement était probablement une partie nécessaire et inévitable du processus de division. De plus, les chercheurs ont découvert que des niveaux de pH plus élevés ont rendu ce processus plus efficace.
L’étude plus approfondie de ce processus pourrait aider les scientifiques à concevoir des catalyseurs plus efficaces à utiliser dans le processus et à mieux comprendre les processus chimiques impliqués, ont déclaré les chercheurs, tout en offrant de nouvelles informations sur la façon dont l’eau se comporte.
« Notre travail souligne à quel point nous savons peu sur l’eau dans les interfaces », a déclaré Geiger. « L’eau est délicate et notre nouvelle technologie pourrait nous aider à le comprendre un peu mieux. »
« En concevant Nouveaux catalyseurs Cela facilite le retournement de l’eau, nous pourrions rendre la division d’eau plus pratique et plus rentable « , a-t-il ajouté.
