Forskare har länge vetat att cerium är det bästa grundämnet att använda när man delar upp vatten till väte och syre - en nyckelteknik för att skapa vätgas för bränsle. Men varför, exakt, cerium är så framgångsrik har varit mycket mindre förstådd.

Nu har ett team från Northwestern University under ledning av Chris Wolverton upptäckt att ceriums elektroniska entropi, som skapas när en elektron övergår mellan olika tillstånd inom ett elektronskal, är den bakomliggande orsaken till dess framgång. Detta fynd kan hjälpa forskare att bättre utnyttja ceriums entropi för vattenuppdelningsteknik.

"För att vattenklyvningen ska vara tillräckligt snabb för att vara praktisk, du behöver en stor mängd entropi, sa Wolverton, professor i materialvetenskap och teknik vid Northwesterns McCormick School of Engineering. "Det visar sig att cerium är magi för entropi."

Med stöd av det amerikanska energidepartementet, forskningen publicerades nyligen i Naturkommunikation . Shahab Naghavi, en postdoktor i Wolverton Research Group, fungerade som tidningens första författare.

Sedan 1970-talet, forskare har pekat på potentialen i en "väteekonomi, " där väte skulle ersätta bensin för att driva marktransporter. När det bränns, vätgas enda biprodukt är vatten, vilket gör det miljömässigt renare och mer energieffektivt än dess alternativ för fossila bränslen. Ren vätgas, dock, är mycket sällsynt i jordens atmosfär.

"Problemet är:hur får man vätgas i första hand?" frågade Wolverton. "För närvarande, du måste bränna kolväten, men det producerar koldioxid."

Splittring av vatten (eller ånga) kan rent och effektivt producera tillräckligt med rent väte för att göra väteekonomin till en sann möjlighet. För att dela väte från syre, forskare använder värme som genereras av solstrålning och ceriumoxid, eller ceria. Använda solljus för att värma ceria till 1, 000- till 1, 500 grader Celsius driver en serie reaktioner som gör att väte spjälkas av.

Wolverton och andra visste tidigare att entropi var nyckeln till att göra denna reaktion möjlig, men de kunde inte hitta källan till ceriums entropi. "De flesta trodde att entropi orsakades av att blanda syre eller vibrationer från värmen, " sa Wolverton. "Men vi upptäckte att det är en annan källa, och det är inte vad du kanske tror."

För att den kemiska reaktionen som driver vattenklyvningen ska bli framgångsrik, cerium i oxiden måste få en elektron. Och den enstaka elektronen ger upphov till en massa entropi.

"Om det finns flera platser för elektronen, som ger upphov till elektronisk entropi, " förklarade Wolverton. "Elektronen kan övergå från ett tillstånd till ett annat till ett annat och skapar oordning på den elektroniska skalan, och följaktligen, entropi."

Ceriums familj av grundämnen - känd som sällsynta jordartsmetaller - har naturligtvis fler elektrontillstånd runt vilka elektronen kan röra sig. Wolvertons team beräknade den elektroniska entropin för alla 17 sällsynta jordartsmetaller och upptäckte att cerium visade den största mängden.

"Under en lång tid, vi har vetat att cerium är bra för vattenklyvning, men vi visste inte riktigt varför, " sa Wolverton. "Nu vet vi delvis varför, och det öppnar möjligheter för framtida arbete."