פוטוסינתזה מלאכותית

חוקרים בטכניון ובאוניברסיטת בולוניה השיגו שיפור דרמטי בניצול אנרגיית השמש להפקת מימן ותוצרים אחרים

מזה עשרות שנים נחשב המימן לדלק העתיד, וזאת מכיוון ששריפתו משחררת רק אנרגיה ומים ואינה מזהמת את הסביבה. כיום מיוצר רוב המימן מגז טבעי בתהליך מזהם, ואחד התהליכים החלופיים לייצורו הוא פוטוקטליזה: פיצול המים למימן ולחמצן באמצעות אור השמש.

בתהליך הפוטוקטליזה נבלע אור השמש בחלקיקים מוליכים-למחצה המייצרים מטענים חיוביים ושליליים בתגובה לבליעת האור. מטענים חשמליים אלה מפרקים את המים למימן וחמצן; המטענים השליליים מפיקים מהמים מימן, והמטענים החיוביים מפיקים את החמצן. שתי תגובות אלה, של המטענים החיובים והשליליים, חייבות להתרחש בעת ובעונה אחת. בלי ניצול של המטענים החיובים אי אפשר לנתב את המטענים השליליים ליצירת המימן. לכן, אף שחמצן אינו תוצר נחוץ, מאמצים רבים בתחום הפיתוח של טכנולוגיות פוטוקטליזה הוקדשו להשגת פיצול מים מלא למימן וחמצן, וזאת ללא הצלחה רבה. בשל כך, פיצול מים מלא נשאר אתגר משמעותי. כעת, במאמר שהתפרסם בכתב העת Nano Energy, מוצג פתרון יצירתי לבעיה זו.

את המחקר האמור הובילה פרופ’ לילך עמירב מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך עם עמיתיה באוניברסיטת בולוניה באיטליה. התהליך שפיתחה קבוצת המחקר מבוסס על חלקיקים ייחודיים שפיתחה פרופ’ עמירב לפני כמה שנים. חלקיקים אלה מפגינים יעילות שיא בניצול האור והמטענים השליליים ליצירת המימן. עכשיו מציג הצוות גישה חדשה לניצול יעיל של המטענים החיובים.

צוות החוקרים פיתח תהליך שבו מופקים לצד המימן, כחלופה ליצירת החמצן, גם תוצרים מועילים ובהם בנזלדהייד (Benzaldehyde) המשמש בתעשיות המזון, הצבע, הפלסטיקה והקוסמטיקה. התהליך החדשני משתמש הן במטענים השליליים והן במטענים החיובים וכך מנצל את אנרגיית השמש באופן יעיל ומועיל יותר. “אפשר לומר שהפכנו את התהליך מפוטוקטליזה לפוטוסינתזה, כלומר להמרה אמיתית של אנרגיה סולרית לדלק,” אומרת פרופ’ עמירב. “יותר מכך, יעילות המרת האנרגיה בתהליך קובעת שיא עולמי חדש בתחום של פוטוקטליזה מבוססת חלקיקים.”

יעילות השיא שהושגה במחקר האמור עומדת על 4.2% STC – כפול מהשיא הקודם. נתון זה, המייצג את יעילות המרת האנרגיה מאנרגיה סולרית לאנרגיה כימית, נושק ליעד שהגדיר משרד האנרגיה האמריקאי כ”סף היתכנות פרקטי” ליצירת מימן באמצעות פוטוקטליזה. החוקרים מעריכים כי הצלחה זו מהווה אבן דרך חשובה לקראת הרחבת השימוש בתהליכי פוטוקטליזה כאמצעי לפיתוח תעשייתי ולצמצום הזיהום הסביבתי.

למאמר בכתב העת Nano Energy