Ahora, los expertos han fotografiado dos defectos primarios en la estructura del agua, que también afectan la producción de hidrógeno verde, bajo un microscopio por primera vez. Las imágenes de microscopía de fuerza atómica de un grupo de trabajo encabezado por Yi Tian de la Universidad de Pekín muestran cómo los protones, átomos de hidrógeno cargados positivamente, se mueven a través del agua para formar los llamados defectos de Zondel y defectos intrínsecos. Como dice el equipo en la revista Science, estos estados de enlace también tienen diferentes frecuencias en los electrodos de oro y platino. Los diferentes estados de enlace de los protones cargados positivamente, que alteran la estructura del agua, afectan la forma en que reaccionan los protones para formar hidrógeno molecular y, por lo tanto, también la cantidad de electricidad que se necesita para producir hidrógeno.
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Cationes Zundel y Eigen | Los protones adicionales pueden encajar en la estructura del agua de dos maneras. La figura muestra una sección de la capa de agua. Las líneas discontinuas son los enlaces de hidrógeno más débiles.
Para producir hidrógeno a través de la electrólisis, un paso crítico en la «economía del hidrógeno» prevista, se bombea electricidad a una fina capa de agua formada en el electrodo. Pero qué sucedió exactamente después de eso sigue siendo un misterio. Los protones en el agua reciben electrones y así rompen sus enlaces con el oxígeno. Esto requiere mucha energía, y parte de esa energía se puede ahorrar controlando cuidadosamente cómo los protones en la capa de agua se unen directamente al electrodo.
Para estudiar esto, el equipo vaporizó una sola capa de moléculas de agua sobre un metal a alta presión. Esta agua se organiza en una red hexagonal donde cada molécula de agua rodea a otras tres moléculas y forma enlaces de hidrógeno con ellas. Luego agregaron protones adicionales, que se insertaron en la red. Finalmente, los expertos midieron la estructura con un microscopio de fuerza atómica, cuya punta consiste en una sola molécula. Esta es la única forma de lograr la precisión necesaria para distinguir entre un enlace químico «verdadero» y un enlace de hidrógeno más débil.
El equipo de Tian no solo demostró que los dos errores en la estructura del agua se pueden trazar directamente, sino que también confirmó algunas predicciones teóricas. Por ejemplo, las moléculas de agua que rodean al protón extra se levantan ligeramente de la superficie del metal, como también predijeron los modelos. Además, la relación numérica de los dos tipos de defecto depende de la superficie. Esto indica que la producción de hidrógeno se puede mejorar controlando específicamente estas condiciones de enlace. Sin embargo, para hacer esto, ahora se deben desarrollar métodos que muestren no solo estructuras estáticas, sino también cómo se comportan los protones en tiempo real.
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