水分解一直被誉为清洁氢燃料的一条有希望的途径。然而，尽管该过程在理论上看起来很优雅，但在实践中却效率低下，所需能量远高于理论预测。如今，西北大学的科学家们发现了造成这一能量缺口的惊人元凶。

“水分解时会发生两个半反应，”领导这项研究的西北大学弗朗茨·盖革说道。产生氧气的半反应非常难以进行，因为所有环节都必须恰到好处。最终消耗的能量比理论计算的要多。如果算一下，应该需要1.23伏的电压。但实际上，它需要的电压大约是1.5伏或1.6伏。

“提供额外的电压需要花费金钱，这就是为什么水分解尚未大规模实施的原因。通过设计新的催化剂，使水翻转更容易，我们可以使水分解更加实用且经济高效。”

研究表明，这种分子杂技是水分解中关键半反应——氧气释放——的关键障碍。更重要的是，研究人员发现，调节水的pH值可以使翻转更容易——这为优化反应和降低清洁氢燃料的成本开辟了新的途径。

分裂前的诡计

为了找到难以捉摸的析氧反应(OER)，盖革团队使用了一种富含铁的矿物——赤铁矿作为电极。盖革实验室研制了一种水-PR-SHG技术，可以观察水分子在电极表面的动态变化。

实现氧翻转是有代价的。我们计算了水分子重排所需的能量消耗，结果表明，该能量消耗几乎与液态水的能量结合力相同。

“这些电极带负电，所以水分子会把带正电的氢原子移向电极表面，”盖格说。“在这个位置，电子转移——从水的氧原子到电极活性位点——被阻断了。”

“我们发现，当电场足够强时，它会导致分子翻转，使氧原子指向电极表面。然后，氢原子就被挡住了，电子就可以从水的氧气中移动到电极上。”

重要的是，科学家们发现，在特定pH条件下，分子更容易翻转。在pH值较高(碱性)时，翻转的阻力较小，从而提高了反应效率。在pH值较低时，翻转的能量消耗更大，导致电化学过程缓慢。

迈向更好的催化剂和氢经济

研究结果不仅解释了水分解的低效率，还提供了如何改进水分解的指南。

“一个关键目标是摆脱化石燃料，走向氢能经济，”盖格说道。“一个长期追求的想法是使用一种具有合适电催化和光学特性的材料。通过太阳辐射，它会产生催化活性位点，进行电化学反应。”

“你仍然需要施加电流来进行电化学反应，但太阳的光子允许你施加更低的电压。施加的电压越低，燃料就越便宜。”我们的研究表明，需要定制催化剂表面以促进水的翻转，从而启动电子转移。