אבני בניין כימיות מתאספות מעצמן ליצירת זרז

עובדה זו הופכת אותם למועמדים אידיאליים להחלפתם של זרזי פלטינה יקרים המשמשים כיום בהכנה של תאי דלק מימני, אומר ד”ר Timothy Cook, פרופסור לכימיה מאוניברסיטת בופאלו

[תרגום מאת ד”ר נחמני משה]

מה יותר טוב מפלטינה? בתחום של תאי דלק מימני, התשובה עשויה להיות פורפירינים של קובלט. מולקולות אלו המתאספות מעצמן – ויעילות ביותר בהאצת התגובה הכימית הנדרשת לייצור אנרגיה מתוך מימן וחמצן – תוכלנה להיות ההתקדמות הבאה בתחום של אנרגיה חלופית.

 

התרכובות מתאספות מעצמן במעבדה מתוך אבני בניין דמויות אבני לגו ומעוצבות כך שתתאמנה אחת לשנייה. זוהי טכנולוגיה מסוג ‘לערבב ולאפות’: המדענים מוסיפים את אבני הבניין לאביק, מערבבים אותם יחדיו ומפעילים חום. במשך הזמן, אבני הבניין משתלבות יחדיו במיקומים המתאימים ליצירת התוצר הסופי. החומר הינו זול ופשוט לייצור בכמויות גדולות. עובדה זו הופכת אותם למועמדים אידיאליים להחלפתם של זרזי פלטינה יקרים המשמשים כיום בהכנה של תאי דלק מימני, אומר ד”ר Timothy Cook, פרופסור לכימיה מאוניברסיטת בופאלו.

טכנולוגיה מעין זו תוכל לאפשר, בעתיד הקרוב, לחברות להפחית את המחירים של מכוניות מונעות במימן, מה שיאפשר להרחיב את קהל הלקוחות של רכבים ידידותיים לסביבה. תאי דלק זולים יוכלו, בנוסף, לעודד את ההתפתחות של התקני אנרגיה אחרים המבוססים על מימן, כדוגמת מחוללי חשמל לשם מצבי גיבוי. מימן נחשב למקור אנרגיה נקייה מאחר ותאי דלק פולטים מים בלבד בתור תוצר הלוואי. “על מנת להפחית את המחיר של רכבי מימן ולהפוך אותם לאפשרות מעשית עבור קהל רחב יותר, אנו זקוקים לזרז שיהיה זול יותר מזרזי הפלטינה”, אומר החוקר הראשי. “הזרז שפיתחנו מסוגל להתארגן מעצמו בכמויות גדולות. הזרז עצמו מכיל רותניום וקובלט – מתכות הרבה יותר זולות מפלטינה – ועדיין, הוא פועל היטב ואפילו טוב יותר מזרזי פלטינה זמינים מסחרית שבדקנו גם אותם לשם השוואה”. ממצאי המחקר פורסמו זה מכבר בכתב העת המדעי Chemistry: A European Journal.

המעבדה של החוקר Cook מתמחה בהתארגנות עצמית מולקולארית, תהליך רב ערך המשמש להכנת חומרים חדשים. “כאשר אני חושב על התארגנות עצמית מולקולארית, אני תמיד מדמיין אבני בניין של משחק הלגו”, אומר החוקר הראשי. “יש בידך אבני בניין המעוצבים כך שיתאימו זה לזה, כמו חלקי תצרף. אבני הבניין שלנו עושים יותר מזה – הם נמשכים זה לזה, וכאשר מקרבים אותם יחדיו ומוסיפים אנרגיה, הם מתחברים אחד לשני בעצמם. “התארגנות עצמית מהווה שיטה יעילה להכנת מולקולות מורכבות. בדרך כלל, על מנת לסנתז חומר חדש, עליך לחבר חלק אחרי חלק, תהליך יקר הנמשך זמן רב. התארגנות עצמית מולקולארית הינה תהליך מהיר – היא בעצם תהליך חד-שלבי”. הזרז החדש מורכב משתי מולקולות שטוחות של פורפירין קובלט, המוערמות יחדיו אחת מעל השנייה בדומה לכריך, ומחוברות על ידי המתכת רותניום”. על מנת לסנתז את התוצר הסופי, החוקרים עיצבו פורפירינים ומחברים בעלי תכונות כימיות המבטיחות שהם יתחברו אחד לשני במיקומים המתאימים. בשלב הבא, החוקרים ערבבו תמיסה של הפורפירינים עם המחברים ואז הפעילו חום. בתוך יומיים, החלקים התארגנו מעצמם ליצירת התוצר הסופי הנדרש.

בדומה לזרז הפלטינה שאותו הם מתכננים להחליף, הפורפירינים של הקובלט מאיצים תגובה כימית המשמשת במסגרת פיתוח של תאי דלק מימני בשם חיזור חמצן. במהלך תגובה זו מתבקעת מולקולת חמצן לשני אטומי חמצן נפרדים שיכולים להתחבר מחדש עם אטומי מימן ליצירת מים – תוך קבלת אנרגיה. מדענים יודעים מזה זמן רב שפורפירינים יעילים בלכידת ובביקוע חמצן: בגוף האדם עצמו, גרסאות מבוססות ברזל של פורפירינים הן האחראיות להמרה של החמצן שאנו נושמים למים, תוך פליטת אנרגיה שבה משתמש הגוף, מסביר החוקר הראשי. יחד עם זאת, הפיתוח של מבני פורפירינים מלאכותיים המתפקדים בתור זרזים היה עד כה מאתגר, הוא מוסיף. תהליך ההכנה של תרכובות אלו הוא בדרך כלל יקר, ומעורבים בו שלבים רבים תוך קבלת כמות קטנה של התוצר הסופי. התארגנות עצמית פותרת את הבעיות הללו: צוות המחקר הצליח לייצר 79 גרמים של פורפירין קובלט מכל 100 גרמים של חומר מוצא – ניצולת הרבה יותר טובה מהניצולת שמעבדות אחרות דיווחו עבור חומרים דומים, ניצולות ברמה של אחוז יחיד. בנוסף, צוות המחקר הצליח לסנתז ולבדוק את מחברי הרותניום באורכים שונים כך שיתאימו לכיוונון רגיש של התכונות האלקטרוכימיות של התרכובת במטרה להגיע לזרז האידיאלי. “זה באמת מתגמל לעבוד על הכימיה הבסיסית של מיזם זה, מחקר שיוכל להשפיע משמעותית בתחום של אנרגיה ירוקה,” אומר אחד מהחוקרים. “תוך שימוש בשיטות של התארגנות עצמית, הצלחנו להכין חומרים זולים יותר בתוך ארבעים ושמונה שעות, מבלי להידרש לשלבי טיהור מאתגרים המחייבים זמן רב, שלבים השכיחים במסגרת שיטות אחרות לסינתזה של חומרים חדשים”.

תקציר המאמר

הידיעה על המחקר

עוד בנושא באתר הידען:

• ייצור דלק מימן בהשראת הפוטוסינתזה בטבע

• צעד חשוב בדרך לדלק מימן

• ביקוע מים בעזרת אנרגית השמש יסייע בהפקה יעילה של דלק מימן

• שיטה זולה ונקייה להפקת מימן עבור תאי דלק