Μια νέα μελέτη προσδιορίζει τον τρόπο με τον οποίο το νερό ιονίζεται υπό ηλεκτροχημικές συνθήκες. Το υδρογόνο αναμένεται να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στα μελλοντικά ενεργειακά συστήματα, γεγονός που καθιστά την πλήρη κατανόηση της ηλεκτρόλυσης ολοένα και πιο σημαντική. Επιστήμονες από το Ινστιτούτο Έρευνας Πολυμερών Max Planck και το Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied του Πανεπιστημίου του Cambridge εξέτασαν προσεκτικότερα ένα στενά συνδεδεμένο φαινόμενο, γνωστό ως αυτοϊοντισμός (αυτοδιάσταση) του νερού.
Παρόλο που η βασική χημεία του τρόπου διάσπασης του νερού είναι καλά κατανοητή υπό κανονικές συνθήκες, πολύ λιγότερα είναι γνωστά για το πώς εξελίσσεται αυτή η διαδικασία μέσα στα έντονα ηλεκτρικά πεδία που αναπτύσσονται στο εσωτερικό των ηλεκτροχημικών συσκευών.
Γιατί το νερό σπάνια διασπάται από μόνο του
Στον φυσικό κόσμο, τα συστήματα όλων των μεγεθών ακολουθούν ένα μικρό σύνολο θεμελιωδών κανόνων. Τα αντικείμενα κινούνται με τρόπους που μειώνουν την ενέργειά τους, όπως η πτώση προς τα κάτω λόγω της βαρύτητας. Ταυτόχρονα, η ισορροπία μεταξύ τάξης και αταξίας παίζει επίσης καθοριστικό ρόλο.
Με την πάροδο του χρόνου, τα συστήματα τείνουν να γίνονται πιο άτακτα, μια τάση που ισχύει ακόμα και σε μοριακή κλίμακα και περιγράφεται από την έννοια της “εντροπίας“. Τόσο η ενέργεια όσο και η εντροπία διαμορφώνουν τον τρόπο με τον οποίο εξελίσσονται οι χημικές αντιδράσεις.
Μια διαδικασία μπορεί να συμβεί αυθόρμητα εάν μειώνει την ενέργεια ή αυξάνει την εντροπία, δηλαδή αν οδηγεί σε μεγαλύτερη αταξία. Υπό καθημερινές συνθήκες, όπως σε ένα ποτήρι νερό, ο αυτοϊοντισμός του νερού εμποδίζεται και στα δύο μέτωπα. Ούτε μειώνει την ενέργεια ούτε αυξάνει την αταξία, γεγονός που καθιστά την αντίδραση εξαιρετικά σπάνια. Ωστόσο, όταν εισάγονται ισχυρά ηλεκτρικά πεδία, η κατάσταση αλλάζει και η αντίδραση μπορεί να επιταχυνθεί δραματικά.
Τα ηλεκτρικά πεδία ανατρέπουν την κινητήριο δύναμη
Ερευνητές από το Ινστιτούτο Έρευνας Πολυμερών Max Planck και το Τμήμα Χημείας Yusuf Hamied του Πανεπιστημίου του Cambridge προσδιόρισαν τώρα έναν απρόσμενο μηχανισμό που ελέγχει τον αυτοϊοντισμό του νερού υπό την επίδραση αυτών των ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων.
Τα αποτελέσματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο Journal of the American Chemical Society, αμφισβητούν την παραδοχή ότι η αντίδραση καθορίζεται κυρίως μόνο από την ενέργεια. “Ο αυτοϊοντισμός του νερού έχει μελετηθεί εκτενώς σε συνθήκες όγκου (bulk conditions), όπου είναι κατανοητό ότι απαιτεί υψηλή ενέργεια και παρεμποδίζεται εντροπικά”, λέει ο Yair Litman, επικεφαλής ομάδας στο Ινστιτούτο Max Planck.
“Όμως, υπό τα ισχυρά ηλεκτρικά πεδία που είναι τυπικά για τα ηλεκτροχημικά περιβάλλοντα, η αντίδραση συμπεριφέρεται πολύ διαφορετικά.” Χρησιμοποιώντας προηγμένες προσομοιώσεις μοριακής δυναμικής, ο Litman και ένας από τους συγγραφείς, ο Angelos Michaelides δείχνουν ότι τα ισχυρά πεδία ενισχύουν δραματικά τη διάσταση του νερού—όχι καθιστώντας την αντίδραση πιο ευνοϊκή ενεργειακά, αλλά καθιστώντας την ευνοϊκή εντροπικά.
Το ηλεκτρικό πεδίο αρχικά ευθυγραμμίζει τα μόρια του νερού σε ένα εξαιρετικά δομημένο δίκτυο. Όταν σχηματίζονται ιόντα, διαταράσσουν αυτή την τάξη, αυξάνοντας την εντροπία —ή την αταξία— του συστήματος, γεγονός που τελικά ωθεί την αντίδραση προς τα εμπρός.
“Πρόκειται για μια πλήρη αντιστροφή αυτού που συμβαίνει σε μηδενικό πεδίο”, εξηγεί ο Litman. “Αντί η εντροπία να ανθίσταται στην αντίδραση, τώρα την προωθεί”.
Η μελέτη δείχνει επίσης ότι υπό την επίδραση ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων, το pH του νερού μπορεί να πέσει από το ουδέτερο (7) σε εξαιρετικά όξινα επίπεδα (έως και 3), γεγονός που έχει επιπτώσεις στον τρόπο με τον οποίο κατανοούμε και σχεδιάζουμε τα ηλεκτροχημικά συστήματα.
“Αυτά τα αποτελέσματα υποδεικνύουν ένα νέο πρότυπο (paradigm)”, λέει ο Michaelides.
“Για να κατανοήσουμε και να βελτιώσουμε τις συσκευές διάσπασης του νερού, πρέπει να λάβουμε υπόψη όχι μόνο την ενέργεια, αλλά και την εντροπία — και το πώς τα ηλεκτρικά πεδία αναδιαμορφώνουν το μοριακό τοπίο του νερού.” Η έρευνα υπογραμμίζει την ανάγκη να επανεξετάσουμε τον τρόπο με τον οποίο μοντελοποιείται η αντιδραστικότητα σε υδατικά περιβάλλοντα υπό ηλεκτρική τάση (bias) και ανοίγει νέες δυνατότητες για τον σχεδιασμό καταλυτών, ιδιαίτερα σε ηλεκτροχημικές αντιδράσεις και αντιδράσεις “επί ύδατος” (on-water).