תא-שמש חדש מפרק ישירות מים לקבלת מימן בר-מחזור

“זוהי מערכת מאוד בלתי-יעילה להוכחת הרעיון. אך בסופו של דבר, מערכות קטליטיות בעלות יעילות המרה סולארית של 10-15 אחוזים הינן ברות-השגה”, אומר החוקר הראשי

עצים ואצות עושים זאת. אפילו חלק מהחיידקים והטחבים, אך למדענים היה אתגר גדול בפיתוח שיטות להמרת אור השמש לדלק שמיש. כעת, מדענים הציגו מתקן המאפשר הוכחת היכולת הרעיונית לפרק מים לקבלת מימן בר-מחזור.

“זוהי מערכת מאוד בלתי-יעילה להוכחת הרעיון. אך בסופו של דבר, מערכות קטליטיות בעלות יעילות המרה סולארית של 10-15 אחוזים הינן ברות-השגה,” אומר תומאס מלואוק, הפרופסור לכימיה ופיסיקה של חומרים מחברת “דופונט”. אם הרעיון יתממש, פירוק מים יאפשר קבלת מקור נקי ובטוח של דלק מימן ממים ואור שמש.” למרות שתאי-שמש יכולים ליצור כיום חשמל מהאור-הנראה ביעילות הגבוהה מעשרה אחוזים, תאי-שמש של מימן – כדוגמת אלו שפותחו ע”י קרייג גרימס, פרופסור להנדסת חשמל באוניברסיטת פן –מוגבלים בשל תגובה ספקטראלית דלה של המוליכים-למחצה המרכיבים אותם.

בעיקרון, קולטני אור מולקולאריים יכולים להשתמש בחלק רחב יותר מספקטרום האור הנראה בתהליך המחקה את תהליך הפוטוסינתזה בטבע. הפוטוסינתזה משתמשת בכלורופיל ובתרכובות-צבע אחרות לשם קליטת אור נראה. עד כה, ניסויים עם תרכובות צבע טבעיות וסינתטיות הביאו לקבלת תוצרי-לוואי שמקורם בתגובה של המגיבים השונים עם המימן או החמצן המשתחרר בתהליך ועל כן תהליך רציף ושלם אינו בנמצא עדיין. תהליכים אלו גם עדיין יקרים יותר מאשר פרוק חשמלי של מים. אחת הסיבות העיקריות לכך נובעת מהעובדה כי ברגע שנוצרות פרודות מימן וחמצן בנפרד הן מגיבות יחדיו בקלות מרובה לקבלה חזרה של מים. הזרזים המשמשים בחקר תגובות החמצן והמימן הנפרדים הינם זרזים יעילים גם בתגובת החיבור ביניהם.

מלואוק וג'סטין יאנגבלאד, עמית בתר-דוקטוראט בכימיה, בשיתוף פעולה עם חוקרים מאוניברסיטת אריזונה, פיתחו מערכת קטליטית אשר בשילוב עם תרכובת-צבע יכולה לחקות את תהליכי העברת האלקטרונים וחמצון המים המתרחשים בצמחים בשלב הפוטוסינתזה. הם דיווחו על תוצאות ניסוייהם בכנס השנתי של “האגודה האמריקאית לקידום המדע” בבוסטון ב- 17 בפברואר. המפתח להצלחת התהליך שלהם טמון בתצמיד (קומפלקס) זעיר של תרכובות בעל מרכז בו קיים זרז תחמוצת אירידיום המוקף בתרכובות-צבע כתומות-אדומות. הקוטר של צברים אלו הינו כשני ננומטרים כאשר רכיבי הזרז ותרכובות הצבע הינם בעלי גודל זהה בעיקרם. החוקרים בחרו בתרכובות-צבע כתום-אדום כיוון שהן קולטות אור שמש בתחום הכחול, שהינו בעל האנרגיה הגבוהה ביותר. תרכובות אלו גם נחקרו כהלכה בניסויים קודמים לפיתוח תהליכי-פוטוסינתזה מלאכותיים. החוקרים הצליחו לבנות מערך שבו תרכובות הצבע נערכות מסביב למרכז הקטליטי במרווח שמאפשר את ביצוע התגובה הכימית הנדרשת. כאשר אור-נראה פוגע בתרכובת-הצבע האנרגיה שלו מעוררת אלקטרונים בתרכובת ואלו, בעזרת הזרז, יכולים להביא לפרוק פרודת המים לקבלת חמצן חופשי.

“כל אזור קטליטי של אטום האירידיום מסוגל לבצע את תגובת החמצון הזו בקצב של 50 פעמים לשנייה,” אומר החוקר. “קצב זה מהיר יותר, בכשלושה סדרי-גודל, מהזרזים הסינתטיים הטובים ביותר, והינו בר-השוואה לקצב הזירוז של המערכת הפוטונית II בתהליכי הפוטוסינתזה של צמחים ירוקים.” המערכת הפוטונית מסוג II הינה התצמיד החלבוני בצמחים אשר מסוגל לחמצן מים ולהתחיל את תהליך הפוטוסינתזה כולו. החוקרים חיברו את המערך החדש שלהם לאנודת תחמוצת-טיטאניום ולקתודת פלטינה. בשלב הבא הם הטבילו את האלקטרודות בתמיסת מלח אך הרחיקו אותן זו מזו בכדי למנוע חיבור-מחדש של המימן והחמצן המתקבלים. כל שצריך עתה כדי שהמערכת תפעל הוא קרן אור-נראה שתגיע לאנודת תחמוצת-הטיטאניום בעלת המערך הקטליטי. סוג זה של תא דומה לאלו המייצרים חשמל (תא אלקטרוליטי) אך תוספת המערך הקטליטי מאפשרת לתגובה לפרק את המים לרכיביה הגזיים – חמצן ומימן. פרוק המים דורש אנרגיה של 1.23 וולטים, אך התצורה הטכנית של הניסוי לא מאפשרת קבלת אנרגיה בכמות זו וחייבה את החוקרים להוסיף כ- 0.3 וולטים ממקור חיצוני. המערכת הנוכחית שלהם הינה בעלת יעילות של כ- 0.3 אחוזים בלבד.

“הטבע הוא בעל יעילות של 1-3 אחוזים בלבד בתהליך הפוטוסינתזה שלו,” אומר החוקר הראשי. “זו הסיבה שלא ניתן לצפות כי רק מהדשא בגינת הבית שלנו יהיה אפשר להפעיל את הבית והמכונית שלנו. לחוקרים יש מגוון רעיונות בנוגע לשיפור יעילות התהליך. הם מתכננים לערוך ניסויים לשם שיפור יעילות תרכובת-הצבע, שיפור המערכת הקטליטית וכוונון הסידור המרחבי היחסי של רכיבי-המערכת. במקום מערכים קטליטיים כדוריים ייתכן כי סידורים מרחביים אחרים שלהם יאפשרו קליטה רבה יותר של הקרן הפוגעת בהם. שיפורים בגיאומטריה הכללית של המערכת יכולים גם הם לייעל את התהליך. “בכל שלב בתהליך יש מספר אפשרויות בחירה,” אומר החוקר. “השאלה העיקרית הינה כיצד ניתן “להכריח” את האלקטרונים לעבור במסלול הנדרש ולא לבזבז את האנרגיה שלהם מבלי לעזור לתהליך הכימי.” המרחק הפיסי בין התרכובות חשוב ביותר בנוגע לבקרת קצב מעבר האלקטרונים והכוונתם היעילה. באמצעות הפחתת המרחקים במסלולים שונים והגדלת אחרים, בלתי-חיוניים, מספר רב יותר של אלקטרונים יועברו במסלול המתאים כך שיותר אנרגיה שלהם תשמש לפרוק המים ולקבלת מימן נקי.

להודעה לעיתונות של החוקרים