Ilmuwan melihat molekul air terbalik sebelum terbelah, dan itu bisa membantu mereka menghasilkan bahan bakar hidrogen yang lebih murah
Untuk pertama kalinya, para ilmuwan telah mengamati molekul air yang terpecah secara real time untuk membentuk hidrogen dan oksigen.
Dan tepat sebelum mereka berpisah, molekul melakukan sesuatu yang sama sekali tidak terduga: mereka membalik 180 derajat.
Aksi akrobatik mikro ini membutuhkan energi, yang menawarkan penjelasan penting mengapa pemisahan air membutuhkan lebih banyak energi daripada perhitungan teoretis yang disarankan.
Para peneliti mengatakan bahwa mempelajari ini lebih lanjut dapat menawarkan wawasan utama untuk membuat proses pemisahan molekul air lebih efisien – membuka jalur untuk lebih murah bahan bakar hidrogen bersih dan oksigen bernapas untuk misi Mars di masa depan. Mereka menerbitkan temuan mereka 5 Maret di jurnal Kemajuan Sains.
Membuat bahan bakar hidrogen
Hidrogen memiliki sejumlah sifat utama yang membuatnya menjadi sumber energi hijau yang menarik. Bahan bakar yang kaya energi mampu memberi daya pada truk dan bahkan kapal kargo, dan itu adalah satu-satunya alternatif untuk bahan bakar fosil di industri seperti baja dan manufaktur pupuk. Saat terbakar, bahan bakar melepaskan air, bukan karbon dioksida.
Namun kebutuhan energi curam untuk produksi hidrogen sangat membatasi skala di mana bahan bakar diproduksi. Menurut Otoritas Energi Internasional, 322 juta ton (354 juta ton) bahan bakar hidrogen Perlu diproduksi setiap tahun untuk memenuhi kebutuhan energi global. Tetapi pada tahun 2023, hanya 97 juta ton (107 juta ton) yang diproduksi dengan biaya moneter 1.5 hingga enam kali lebih besar dari produksi bahan bakar fosil – dan sebagian besar dibuat menggunakan bahan bakar fosil juga.
Bahan bakar hidrogen dibuat dengan menambahkan air ke elektroda dan kemudian membagi air dengan tegangan yang diaplikasikan ke dalam hidrogen dan oksigen.
Proses ini paling efisien ketika unsur kimia iridium digunakan sebagai katalis untuk reaksi evolusi oksigen yang memisahkan oksigen dari molekul air. Tapi Iridium hanya tiba di planet kita dari dampak meteorit, membuatnya mahal dan langka.
Tetapi bahkan ketika menggunakan Iridium, prosesnya kurang efisien daripada yang diyakini oleh para ilmuwan.
“Itu akhirnya mengambil lebih banyak energi daripada yang dihitung secara teoritis. Jika Anda melakukan matematika, itu harus membutuhkan 1,23 volt. Tetapi, pada kenyataannya, itu membutuhkan lebih banyak 1,5 atau 1,6 volt,” kata penulis utama penulis Franz Geigerseorang profesor kimia di Northwestern University, kata dalam sebuah pernyataan. “Menyediakan tegangan tambahan itu membutuhkan uang, dan itulah sebabnya pemisahan air belum diterapkan dalam skala besar.”
Untuk lebih memahami kebutuhan energi dari proses ini dan mengapa itu kurang efisien daripada yang disarankan teori, para peneliti menempatkan air pada elektroda di dalam wadah dan mengukur posisi molekul menggunakan amplitudo dan fase cahaya laser bersinar ke mereka.
Ketika para ilmuwan menerapkan tegangan melintasi elektroda, mereka mengamati bahwa molekul dengan cepat terbalik dan diputar sehingga dua atom hidrogen mereka menyentuh elektroda menghadap ke atas dan atom oksigen menghadap ke bawah.
“Elektroda bermuatan negatif, sehingga molekul air ingin meletakkan atom hidrogen bermuatan positif ke arah permukaan elektroda,” kata Geiger. “Dalam posisi itu, transfer elektron dari atom oksigen air ke situs aktif elektroda diblokir. Ketika medan listrik menjadi cukup kuat, itu menyebabkan molekul terbalik, sehingga atom oksigen mengarah ke permukaan elektroda. Lalu, atom hidrogen keluar dari jalan, dan elektron dapat bergerak dari oksigen ke elektroda.”
Dengan mengukur jumlah molekul yang diputar dan energi yang dibutuhkan untuk melakukannya, para peneliti menemukan bahwa membalik ini kemungkinan merupakan bagian yang diperlukan dan tidak dapat dihindari dari proses pemisahan. Terlebih lagi, para peneliti menemukan bahwa tingkat pH yang lebih tinggi membuat proses ini lebih efisien.
Mempelajari lebih lanjut proses ini dapat membantu para ilmuwan untuk merancang katalis yang lebih efisien untuk digunakan dalam proses, dan untuk lebih memahami proses kimia yang terlibat, kata para peneliti, sementara juga menawarkan wawasan baru tentang bagaimana air berperilaku.
“Pekerjaan kami menggarisbawahi betapa sedikit yang kami ketahui tentang air di antarmuka,” kata Geiger. “Air itu rumit, dan teknologi baru kami dapat membantu kami memahaminya sedikit lebih baik.”
“Dengan merancang Katalis baru Itu membuat air membalik lebih mudah, kita bisa membuat pemisahan air lebih praktis dan hemat biaya, “tambahnya.
