科學家揭密水分子的「翻轉」奧秘，或將開啟廉價氫能新時代

在追求廉價氫能的道路上，科學家們一直面臨著一個關鍵挑戰：分解水分子所需的能量遠高於理論計算值。如今，這道難題終於有了突破性的解答。研究人員首次即時觀察到水分子分解成氫氣和氧氣的過程，並發現了一個令人驚訝的現象——在分解前，水分子會進行180度的翻轉。

這項微觀的「特技表演」需要消耗能量，這正好解釋了為什麼實際分解水分子所需的能量會比理論值高出許多。研究人員表示，進一步研究這一現象將有助於提升水分子的分解效率，從而為廉價清潔氫能的生產以及未來火星任務中可呼吸氧氣的製造開闢新途徑。這項研究成果已於3月5日發表在《科學進展》期刊上。

氫能作為綠色能源具有多項關鍵優勢。這種高能量燃料不僅能驅動卡車甚至貨輪，更是鋼鐵和化肥製造等產業中唯一能替代化石燃料的選擇。燃燒氫氣時，產物是水而非二氧化碳，這使其成為環保能源的理想選擇。

然而，氫能生產所需的高昂能量成本嚴重限制了其生產規模。根據國際能源署的資料，全球每年需要生產3.22億噸氫燃料才能滿足能源需求。但2023年實際產量僅為9700萬噸，且生產成本是化石燃料的1.5至6倍，其中絕大多數仍依賴化石燃料製造。

目前，氫燃料的生產方式是將水加入電極，然後透過施加電壓將水分解成氫氣和氧氣。這個過程在使用銥作為催化劑時效率最高，但銥只能透過隕石撞擊來到地球，因此價格昂貴且稀缺。即便如此，使用銥作為催化劑的分解效率仍低於科學家的預期。

「實際所需的能量比理論計算值高出許多。理論上只需要1.23伏特，但實際上卻需要1.5至1.6伏特，」研究主要作者、西北大學化學教授弗朗茨·蓋格表示，「提供額外電壓意味著更高的成本，這就是為什麼水分解技術尚未大規模應用的原因。」

為瞭解決這個問題，研究人員將水置於容器內的電極上，並利用鐳射測量水分子的位置。當施加電壓時，他們觀察到水分子迅速翻轉，使兩個氫原子朝上接觸電極，氧原子朝下。

「電極帶負電，因此水分子會讓帶正電的氫原子朝向電極表面，」蓋格解釋道，「在這種情況下，氧原子向電極活性位點轉移電子的過程被阻擋。當電場足夠強時，會導致分子翻轉，使氧原子朝向電極表面。這樣一來，氫原子不再阻擋，電子就能從水的氧原子轉移到電極。」

透過測量翻轉分子的數量和所需能量，研究人員發現這種翻轉可能是水分子分解過程中必要且不可避免的步驟。此外，研究還發現，更高的pH值能使這個過程更有效率。

進一步研究這一過程將有助於科學家設計更高效的催化劑，並更好地理解相關的化學過程，同時也為水的行為提供了新的見解。「我們的研究突顯了我們對介面水的瞭解有多麼有限，」蓋格說，「水很複雜，我們的新技術或許能幫助我們更好地理解它。」

「透過設計能讓水分子更容易翻轉的新型催化劑，我們可以讓水分解變得更實用且更具成本效益，」他補充道。這項突破性的發現不僅為氫能生產帶來了新的希望，也為未來清潔能源的發展指明瞭方向。