Forskare vid Northwestern University har för första gången observerat vattenmolekyler i realtid när de förbereder sig för att avge elektroner för att bilda syre14. I det avgörande ögonblicket innan syreproduktionen utförde vattenmolekylerna ett oväntat trick: de vände sig 180 grader12.
Den överraskande upptäckten
När forskarna applicerade en spänning över en elektrod observerade de att vattenmolekylerna snabbt vände och roterade så att deras två väteatomer som rörde vid elektroden vändes uppåt medan syreatomerna vändes nedåt2. Detta sker eftersom elektroder är negativt laddade, vilket gör att vattenmolekylen naturligt vill placera sina positivt laddade väteatomer mot elektrodens yta27.
I denna position blockeras dock elektronöverföringen från vattnets syreatom till elektrodens aktiva yta. När det elektriska fältet blir tillräckligt starkt orsakar det att molekylerna vänder sig så att syreatomerna pekar mot elektrodens yta7. Detta gör att väteatomerna kommer ur vägen och elektronerna kan röra sig från vattnets syre till elektroden7.
Varför detta är viktigt för vätgasproduktion
Denna akrobatiska manöver kräver energi, vilket hjälper till att förklara varför vattensplittring använder mer energi än teoretiska beräkningar antyder17. För att dela vatten teoretiskt borde det kräva 1,23 volt, men i verkligheten krävs cirka 1,5 eller 1,6 volt47. Denna skillnad representerar ett betydande hinder för storskalig användning av vattensplittringsteknologier4.
Forskarna kunde mäta hur många vattenmolekyler som vände sig samt energin som krävdes för detta. De fann att vändningen sker omedelbart innan syrebildningsreaktionen (OER) startar, vilket indikerar att detta är ett nödvändigt och oundvikligt steg i processen7.
Möjliga framsteg inom ren energi
Upptäckten kan leda till nya insikter om hur man kan öka effektiviteten vid vattensplittring, en process som har potential för att generera ren vätgas och producera andningsbart syre under framtida uppdrag till Mars7. Genom att designa nya katalysatorer som gör vattenvändningen lättare, skulle forskare kunna göra vattensplittring mer praktisk och kostnadseffektiv7.
Forskarna upptäckte också att vattnets pH-nivå påverkar orienteringen av vattenmolekyler. Högre pH-nivåer gjorde processen mer effektiv72. Ytterligare studier av denna process kan hjälpa forskare att designa effektivare katalysatorer och bättre förstå de kemiska processerna som är involverade2.
Denna nya insikt i vattenmolekylernas beteende kan inte bara leda till effektivare katalysatorer för vattensplittring, utan kan också hjälpa forskare att bättre förstå andra elektrokemiska processer för energilagring och energiomvandlingsteknologier7.
Citations:
- https://www.hydrogenfuelnews.com/study-hydrogen-fuel-production/8570016/
- https://www.livescience.com/chemistry/scientists-spot-water-molecules-flipping-before-they-split-and-it-could-help-them-produce-cheaper-hydrogen-fuel
- https://phys.org/news/2023-09-catalyst-decreases-energy-required-hydrogen.html
- https://bioengineer.org/scientists-capture-water-molecules-in-the-act-of-flipping-before-splitting/
- https://engineeringness.com/northwestern-university-study-reveals-water-molecule-flips-as-key-to-cutting-edge-hydrogen-production/
- https://www.sciencedaily.com/releases/2025/03/250311121312.htm
- https://phys.org/news/2025-03-scientists-molecules-flipping.html
- https://www.uoguelph.ca/ceps/news/2024/04/splitting-water-molecules-clean-hydrogen-production
- https://www.youtube.com/watch?v=4HtU6wqOzUI
- https://www.livescience.com/chemistry/scientists-discover-revolutionary-method-that-makes-fuel-from-water-and-sunlight-but-its-not-finished-yet
- https://www.linkedin.com/posts/michaeljustinhopkins_scientists-spot-water-molecules-flipping-activity-7305903830913765376-tpuN
- https://globalautomobility.com/2025/03/13/producing-cheaper-hydrogen-fuel-observing-water-molecules-before-they-split/
- https://cdn.mos.cms.futurecdn.net/xBE9pg6VXTJPhhxBgUp7z6-1000-80.jpg?sa=X&ved=2ahUKEwismOPDj4qMAxWyQfEDHVeFMSkQ_B16BAgFEAI
- https://www.livescience.com/chemistry/nanoparticle-breakthrough-could-bring-holy-grail-of-solar-power-within-reach
- https://www.inkl.com/news/the-universe-s-water-is-billions-of-years-older-than-scientists-thought-and-may-be-nearly-as-old-as-the-big-bang-itself
- https://www.inkl.com/news/liquid-energy-find-could-power-future-fuels-batteries
- https://www.designboom.com/technology/hydrogen-fuel-seawater-university-central-florida-ucf-researchers-electrolysis-10-03-2021/
- https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsomega.3c07911
- https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsenergylett.1c02591
- https://www.bnl.gov/newsroom/news.php?a=121932
- https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-electrolysis
- https://www.sciencedaily.com/releases/2024/06/240620151411.htm
- https://wires.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/wene.528
- https://fuelcellsworks.com/2024/11/29/green-investment/spin-powered-crystals-dramatically-improve-water-splitting-process-for-clean-hydrogen-production
- https://www.energy.gov/eere/fuelcells/hydrogen-production-photoelectrochemical-water-splitting
- https://www.linkedin.com/posts/phys-org_scientists-catch-water-molecules-flipping-activity-7303286302869770240-DKhe
- https://scitechdaily.com/breakthrough-material-separates-heavy-water-from-normal-water-at-room-temperature/
- https://thebulletin.org/2024/10/e-fuels-are-better-for-the-climate-than-fossil-fuels-so-why-havent-they-taken-off-yet/
- https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/36600066/
- https://www.nature.com/articles/ncomms13237
- https://en.wikipedia.org/wiki/Water_splitting
Answer from Perplexity: pplx.ai/share
