Sterke elektriske felt får vann til å oppføre seg på uvante måter. En ny studie viser at entropi – ikke energi – driver vannets spalting under slike forhold. Funnene kan endre hvordan vi tenker om elektrolyse og produksjon av hydrogen.

Hva forskerne fant

Forskere ved Max Planck-instituttet for polymerforskning og University of Cambridge har oppdaget at sterke elektriske felt drastisk endrer vannets oppførsel på molekylært nivå. Under normale forhold skjer autodissosiasjon av vann sjelden, fordi prosessen er både energetisk krevende og entropisk hemmet. Men i feltstyrker typiske for elektrokjemiske enheter snus bildet.

Gjennom avanserte ab initio molekyldynamiske simuleringer viser studien at feltet ikke senker energikostnaden for reaksjonen. I stedet gjør det prosessen gunstig ved å øke entropien.

«Autodissosiasjon av vann har blitt omfattende studert under normale forhold, der den forstås å være energetisk krevende og entropisk hemmet,» forklarer Yair Litman ved Max Planck-instituttet. «Men under sterke elektriske felt som er typiske for elektrokjemiske miljøer, oppfører reaksjonen seg veldig annerledes.»

Fra orden til uorden – og derfor går det raskere

Det elektriske feltet tvinger først vannmolekylene inn i en ordnet struktur. Når ioner begynner å dannes, bryter denne strukturen sammen og uorden øker. Det driver reaksjonen fremover.

«Det er en fullstendig reversering av hva som skjer ved null felt,» sier Litman. «I stedet for at entropi motstår reaksjonen, fremmer den den nå.»

Surhetsnivået endres dramatisk

Under sterke elektriske felt kan vannets pH falle fra nøytral (7) til så lavt som 3. Det er en stor endring i surhet med direkte betydning for hvordan elektrokjemiske systemer opererer og bør designes.

• pH fra 7 til så lavt som 3 i sterke felt
• Relevante feltstyrker for elelektrolyse og andre elektrokjemiske enheter

Slik ble det undersøkt

Studien, publisert i Journal of the American Chemical Society, bygger på komplekse beregninger. Forskerne kartla hvordan elektriske felt endrer termodynamikken ved vanndissosiasjon og viste at entropiske bidrag kan overstyre energihindrene i slike miljøer.

Konsekvenser for teknologi og design

Funnene utfordrer grunnleggende antakelser om vannkjemi og peker mot nye prinsipper for elektrolyse og katalysatorutvikling. De antyder at forskere må revurdere modeller for reaksjoner i vann når elektriske felt er involvert – også for elektrokjemiske reaksjoner og såkalte «on-water»-reaksjoner.

«Disse resultatene peker mot et nytt paradigme,» sier professor Angelos Michaelides ved University of Cambridge. «For å forstå og forbedre enheter for vannspaltning, må vi vurdere ikke bare energi, men også entropi – og hvordan elektriske felt omformer det molekylære landskapet til vann.»

Hvorfor dette betyr noe

Hydrogen er bredt sett på som en nøkkel energikilde for fremtiden. Bedre forståelse av hvordan vann spaltes under elektriske felt kan gjøre elektrolyse mer effektiv og skalerbar. Studien representerer et betydelig fremskritt i forståelsen av grunnleggende vannkjemi i miljøer som ligner virkelige enheter.

Hovedpoenget: I sterke elektriske felt blir entropi selve motoren i vannspalting. Det kan påvirke alt fra hvordan vi modellerer reaksjoner til hvordan vi designer fremtidens elektrolysesystemer – og bringe oss nærmere mer kostnadseffektiv hydrogenproduksjon.