分解水分子需要的能量比计算得出的要多，并且是廉价氢燃料生产的关键障碍。现在，科学家们已经发现了原因。
一张水滴的照片。 （图片来源：J. Adam Fenster / 罗切斯特大学）
科学家们首次观察到水分子实时分裂形成氢和氧。
就在它们分裂之前，这些分子做了一件完全出乎意料的事情：它们翻转了 180 度。
这个微型杂技特技需要能量，这为为什么分解水需要比理论计算建议的更多的能量提供了重要解释。
研究人员表示，进一步研究这一点可能会为提高水分子分裂过程的效率提供关键见解——为未来的火星任务开辟一条获得更便宜的清洁氢燃料和可呼吸氧气的途径。他们于 3 月 5 日在《科学进展》（Science Advances） 杂志上发表了他们的发现。
制造氢燃料氢气具有许多关键特性，使其成为诱人的绿色能源。这种富含能源的燃料能够为卡车甚至货船提供动力，它是钢铁和化肥制造等行业中化石燃料的唯一替代品。燃烧时，燃料会释放出水而不是二氧化碳。
然而，氢气生产对能源的苛刻要求严重限制了燃料的生产规模。根据国际能源管理局的数据，每年需要生产 3.22 亿吨（3.54 亿吨）氢燃料才能满足全球能源需求。但在 2023 年，只有 9700 万吨（1.07 亿吨）的生产成本是化石燃料生产的 1.5 到 6 倍，而且其中绝大多数也是使用化石燃料制造的。
氢燃料是通过向电极中加水，然后将施加电压的水分解成氢气和氧气制成的。
当化学元素铱用作析氧反应的催化剂时，该过程最有效，该反应将氧从水分子中裂解。但铱只能通过陨石撞击到达我们的星球，因此成本高昂且稀缺。
但即使使用铱，这个过程的效率也低于科学家认为的应有效率。
“它最终消耗的能量比理论计算的要多。如果你算一算，它应该需要 1.23 伏特。但实际上，它需要更多的 1.5 或 1.6 伏特，“该研究的主要作者、西北大学化学教授弗朗茨·盖格 （Franz Geiger） 在一份声明中说。“提供额外的电压需要花钱，这就是水分解没有大规模实施的原因。”
为了更好地了解这个过程的能量需求以及为什么它的效率低于理论建议，研究人员将水放在容器内的电极上，并使用照射到分子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面朝上，氧原子面朝下。
“电极带负电，因此水分子希望将其带正电的氢原子朝向电极表面，”Geiger 说。“在该位置，电子从水的氧原子到电极的活性位点的转移被阻止。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，氢原子就消失了，电子可以从水中的氧气移动到电极上。
通过测量旋转的分子数量和它们旋转所需的能量，研究人员发现这种翻转可能是分裂过程中必要且不可避免的一部分。更重要的是，研究人员发现，较高的 pH 值会使这个过程更有效。
研究人员表示，进一步研究这一过程可以帮助科学家设计出更高效的催化剂，并更好地了解所涉及的化学过程，同时也为水的行为提供了新的见解。
“我们的工作突显了我们对界面处的水知之甚少，”Geiger 说。“水很棘手，我们的新技术可以帮助我们更好地了解它。”
“通过设计使水翻转更容易的新型催化剂，我们可以使水分解更加实用和具有成本效益，”他补充道。
