Mechanizm reakcji działa na odwrót niż zwykle
W normalnych warunkach cząsteczki wody rozpadają się na jony w procesie zwanym autodysocjacją. Dzieje się to niezwykle rzadko, bo wymaga energii i nie zwiększa entropii, czyli nieporządku w układzie. Zespół badaczy odkrył jednak, że w silnym polu elektrycznym ten mechanizm ulega całkowitemu odwróceniu. W takim środowisku to właśnie entropia zaczyna napędzać reakcję. Jak to działa? Pole elektryczne porządkuje cząsteczki wody, układa je w uporządkowaną sieć. Powstanie jonów zakłóca ten porządek, wprowadzając chaos – a więc zwiększając entropię. W tym nowym paradygmacie im większy chaos, tym lepiej dla reakcji. Yair Litman, jeden z autorów badania, wyjaśnia:
To całkowite odwrócenie tego, co dzieje się przy zerowym polu. Zamiast tego, aby entropia opierała się reakcji, teraz ją promuje.
Czytaj też: Najcenniejszy pierwiastek świata znaleziony w USA. Ta substancja może zmienić przyszłość energetyki
Eksperymenty opublikowane w Journal of the American Chemical Society pokazały też coś zaskakującego. W tych intensywnych polach pH wody potrafiło spaść z neutralnej siódemki do poziomu charakterystycznego dla kwaśnego środowiska, zbliżając się do wartości 3. To nie tylko ciekawostka chemiczna, lecz również istotna wskazówka dla inżynierów projektujących ogniwa.
Entropia kluczem do efektywnej elektrolizy
Dlaczego to takie ważne? Kluczem do zrozumienia jest tu wodór, postrzegany jako paliwo przyszłości. Główną metodą jego produkcji z wody jest elektroliza, proces zachodzący właśnie pod wpływem prądu. Dotychczasowe modele skupiały się głównie na aspektach energetycznych reakcji: jaką ilość energii trzeba dostarczyć? Nowe odkrycie sugeruje, że równie ważnym czynnikiem jest wpływ pola elektrycznego na entropię całego układu. Badacze wykorzystali zaawansowane symulacje dynamiki molekularnej, by pokazać, że silne pola nie sprawiają, iż reakcja staje się bardziej korzystna energetycznie. Zmieniają za to krajobraz entropiczny, czyniąc rozpad cząsteczek wody na jony bardziej prawdopodobnym.
Czytaj też: Naukowcy wreszcie zobaczyli duchy świata chemii. Teorie sprzed lat legły w gruzach
Otwiera to nowe ścieżki w projektowaniu katalizatorów i urządzeń elektrochemicznych. Zamiast tylko optymalizować zużycie energii, inżynierowie będą musieli myśleć o tym, jak kształtować pole elektryczne, by korzystnie wpływało na entropię układu. Teoretycznie może to prowadzić do bardziej wydajnych elektrolizerów, a więc tańszego i bardziej ekologicznego wodoru. Oczywiście symulacje są bardzo złożone, a odtworzenie tak specyficznych warunków w pełnowymiarowej instalacji to zupełnie inne wyzwanie.