Hydro được kỳ vọng sẽ đóng vai trò quan trọng trong các hệ thống năng lượng tương lai, vì vậy việc hiểu rõ quá trình điện phân ngày càng trở nên cần thiết. Các nhà khoa học tại Viện Max Planck về Nghiên cứu Polymer và Khoa Hóa học Yusuf Hamied thuộc Đại học Cambridge đã xem xét kỹ hơn một hiện tượng liên quan chặt chẽ, được gọi là sự tự phân ly của nước (water autodissociation).

Mặc dù hóa học cơ bản của quá trình nước phân tách đã được hiểu khá rõ trong điều kiện bình thường, nhưng vẫn còn rất ít thông tin về cách quá trình này diễn ra dưới các điện trường mạnh xuất hiện bên trong các thiết bị điện hóa.

Vì sao nước hiếm khi tự phân tách

Trong thế giới tự nhiên, các hệ ở mọi quy mô đều tuân theo một số quy luật cơ bản. Các vật thể có xu hướng chuyển động theo hướng làm giảm năng lượng của chúng, chẳng hạn như rơi xuống dưới tác dụng của trọng lực. Đồng thời, sự cân bằng giữa trật tự và hỗn loạn cũng đóng vai trò then chốt. Theo thời gian, các hệ có xu hướng trở nên hỗn loạn hơn — một khuynh hướng áp dụng ngay cả ở cấp độ phân tử và được mô tả bằng khái niệm “entropy”.

Cả năng lượng và entropy đều định hình cách các phản ứng hóa học diễn ra. Một quá trình có thể xảy ra một cách tự phát nếu nó làm giảm năng lượng hoặc làm tăng entropy, tức là tăng mức độ hỗn loạn. Trong các điều kiện thông thường, chẳng hạn như trong một cốc nước, sự tự phân ly của nước bị chặn ở cả hai khía cạnh này. Quá trình đó không làm giảm năng lượng cũng không làm tăng độ hỗn loạn, khiến phản ứng trở nên cực kỳ hiếm. Tuy nhiên, khi xuất hiện các điện trường mạnh, tình thế thay đổi và phản ứng có thể diễn ra nhanh hơn đáng kể.

Điện trường đảo ngược động lực phản ứng

Các nhà nghiên cứu tại Viện Max Planck về Nghiên cứu Polymer và Khoa Hóa học Yusuf Hamied của Đại học Cambridge nay đã xác định được một cơ chế bất ngờ kiểm soát sự tự phân ly của nước dưới các điện trường mạnh này. Kết quả của họ, được công bố trên Journal of the American Chemical Society, thách thức giả định lâu nay rằng phản ứng này chủ yếu do yếu tố năng lượng chi phối.

“Sự tự phân ly của nước đã được nghiên cứu rất nhiều trong điều kiện khối, nơi người ta hiểu rằng quá trình này đòi hỏi năng lượng cao và bị cản trở bởi entropy,” Yair Litman, trưởng nhóm nghiên cứu tại Viện Max Planck, cho biết. “Nhưng dưới các điện trường mạnh đặc trưng của môi trường điện hóa, phản ứng lại biểu hiện rất khác.”

Bằng cách sử dụng các mô phỏng động lực học phân tử tiên tiến, Litman và đồng tác giả Angelos Michaelides cho thấy các điện trường mạnh làm tăng đáng kể sự phân ly của nước — không phải bằng cách khiến phản ứng trở nên thuận lợi hơn về mặt năng lượng, mà bằng cách khiến nó trở nên thuận lợi về mặt entropy. Điện trường ban đầu sắp xếp các phân tử nước thành một mạng lưới có cấu trúc rất trật tự. Khi các ion hình thành, chúng phá vỡ trật tự này, làm tăng entropy — hay mức độ hỗn loạn — của hệ, từ đó thúc đẩy phản ứng tiến triển.

“Đây là sự đảo ngược hoàn toàn so với những gì xảy ra khi không có điện trường,” Litman giải thích. “Thay vì entropy cản trở phản ứng, giờ đây chính entropy lại thúc đẩy nó.”

Nhìn lại quá trình tách nước dưới điện thế

Nghiên cứu cũng cho thấy rằng dưới các điện trường mạnh, pH của nước có thể giảm từ mức trung tính (7) xuống mức axit cao (thấp tới 3), điều này có ý nghĩa quan trọng đối với cách chúng ta hiểu và thiết kế các hệ thống điện hóa.

“Những kết quả này chỉ ra một mô hình tư duy mới,” Michaelides nói. “Để hiểu và cải thiện các thiết bị tách nước, chúng ta cần xem xét không chỉ năng lượng mà cả entropy — và cách các điện trường tái định hình bức tranh phân tử của nước.”

Nghiên cứu nhấn mạnh nhu cầu phải xem xét lại cách mô hình hóa độ hoạt hóa phản ứng trong môi trường nước dưới tác động của điện thế, đồng thời mở ra những khả năng mới cho thiết kế chất xúc tác, đặc biệt trong các phản ứng điện hóa và các phản ứng ‘trên bề mặt nước’ (on-water reactions).