Нове дослідження прояснює, як вода іонізується в електрохімічних умовах, змінюючи уявлення про один із ключових процесів, що лежить в основі майбутньої водневої енергетики.
Очікується, що «водень» (hydrogen) відіграватиме центральну роль у декарбонізованих енергетичних системах, а отже, глибоке розуміння «електролізу води» (water electrolysis) стає критично важливим
(Hydrogen energy – IEA).
У цьому контексті вчені з Інституту досліджень полімерів імені Макса Планка та кафедри хімії імені Юсуфа Хаміда Кембриджського університету зосередилися на тісно пов’язаному, але значно менш вивченому явищі — «автодисоціації води» (water autodissociation).
«Автодисоціація води» — це спонтанне розщеплення молекули H?O на іони H? та OH?. За звичайних умов цей процес відбувається надзвичайно рідко і визначає нейтральний pH води (~7)
(Water autoionization). Однак у реальних «електрохімічних середовищах» (electrochemical environments), де діють надзвичайно сильні локальні електричні поля, поведінка води може суттєво змінюватися.
Протягом десятиліть вважалося, що автодисоціація води обмежена двома чинниками: вона є «енергетично невигідною» та «ентропійно пригніченою». «Ентропія» (entropy) — це міра безладу в системі, і за нормальних умов розщеплення води не призводить до його зростання
(Entropy – Britannica). Саме тому в склянці води така реакція майже не відбувається.
Проте нова робота показує, що в сильних «електричних полях» (electric fields), характерних для електродів і мембран електролізерів, правила змінюються. За словами Яїра Літмана з Інституту Макса Планка, «реакція поводиться зовсім інакше, ніж у звичайній рідкій воді».
Використовуючи методи «молекулярної динаміки» (molecular dynamics simulations), дослідники продемонстрували, що електричне поле спочатку впорядковує молекули води, формуючи жорстку структуровану мережу. Коли ж відбувається іонізація, поява іонів H? і OH? руйнує цей порядок. У результаті ентропія системи зростає, і саме це — а не зниження енергії — стає головною рушійною силою реакції.
«Це повна протилежність нульовому електричному полю», — пояснює Літман. «Там ентропія гальмує реакцію, а тут вона її стимулює».
Дослідження також показує, що за таких умов локальний «pH» води може знижуватися з нейтрального значення до сильно кислого — аж до pH ? 3, що має прямі наслідки для стабільності матеріалів та ефективності електрохімічних пристроїв
(pH scale).
Співавтор роботи Ангелос Міхаелідес з Кембриджського університету наголошує, що ці результати вимагають переосмислення моделей реакцій у воді під електричним зміщенням. Щоб покращити каталізатори та пристрої для розщеплення води, необхідно враховувати не лише енергетику, а й те, як електричні поля змінюють ентропійний баланс молекул.
У підсумку дослідження відкриває нову парадигму для електрохімії води. Воно показує, що в екстремальних умовах саме ентропія — а не енергія — може визначати хід фундаментальних реакцій, що лежать в основі технологій чистої енергії майбутнього.