這些結果不僅僅解釋了水分解的低效率；他們還提供了一個如何使它變得更好的指南。

長期以來，水分解一直被譽為清潔氫燃料的有前途的途徑。但是，雖然這個過程在紙面上看起來很優雅，但在實踐中卻效率低下，需要的能量比理論預測的要多得多。現在，西北大學的科學家們發現了這種能量缺口背後的一個令人驚訝的罪魁禍首。

“當你把水分開時，會發生兩個半反應，”西北大學的Franz Geiger說，他是這項研究的負責人。產生氧氣的半反應很難進行，因為所有的東西都要排列整齊。它最終消耗的能量比理論計算的要多。如果你算一下，它應該需要1.23伏特。但實際上，它需要1.5或1.6伏的電壓。”

“提供額外的電壓需要花錢，這就是為什麼水分解沒有大規模實施的原因。通過設計新的催化劑，使水更容易翻轉，我們可以使水分解更加實用和經濟。”

這項研究表明，這種分子戲法是氧氣演化的關鍵障礙，是水分裂過程中一個關鍵的半反應。更重要的是，研究人員發現，調整水的pH值可以使翻轉更容易 —— 為優化反應和降低清潔氫燃料的成本開闢了新的途徑。

分裂前的一個把戲

為了找到難以捉摸的析氧反應（OER），Geiger的團隊使用了一種富含鐵的礦物赤鐵礦作為電極。Geiger的實驗室製造了一種水PR SHG技術，可以讓他們觀察電極表面上的水分子動力學。

實現氧氣翻轉是有代價的。計算了水分子重排所需的能量消耗，結果幾乎等於液體狀態下的結合能水。

“這些電極帶負電，所以水分子想把帶正電的氫原子放到電極表面，”Geiger說。“在那個位置，電子從水中的氧原子到電極活性部位的轉移被阻止了。”

“我們發現，當電場變得足夠強時，它會導致分子翻轉，因此氧原子指向電極表面。然後，氫原子就不礙事了，電子就可以從水中的氧原子移動到電極上。”

重要的是，科學家們發現，相對於水的pH值，分子在某些條件下更容易翻轉。在較高的pH值（鹼性）下，翻轉的阻力較小，這導致了更有效的反應。在較低的pH值下，翻轉變得更昂貴的能量，使電化學過程緩慢。

朝著更好的催化劑和氫經濟發展

這些結果不僅僅解釋了水分解的低效率；他們還提供了一個如何使它變得更好的指南。

Geiger說：“一個關鍵目標是擺脫化石燃料，轉向氫經濟。”“一個長期追求的想法是使用一種具有正確電催化和光學特性的材料。通過太陽輻射，它產生催化活性位點，進行電化學反應。”

“你仍然需要施加電流來進行電化學反應，但太陽的光子允許你施加更少的電壓。電壓越小，燃料就越便宜。我們的研究表明，催化劑表面需要進行定製，以促進水的翻轉，從而啟動電子轉移。”