שיטת ניקוי חדשה של מימן

חוקרים מארה"ב פיתחו משפחה חדשה של חומרים נקבוביים, הבנויים כעין יערת-דבש, שהם יעילים ביותר בהפרדת מימן מתערובות גזים מורכבות

השאיפה של נשיא ארה"ב, ברק אובמה, לעצמאות בתחום האנרגיה, מדרבנת את האצת המחקר והפיתוח של מקורות אנרגיה חלופיים כגון: אנרגיה סולארית, אנרגיית רוח וגיאותרמית, ביו-דלקים, מימן וביומסה.

בתחום כלכלת המימן, אחד מהמחסומים להצלחה הינו המימן עצמו. יש לטהר את המימן לפני שימושו כדלק עבור תאי-דלק, אולם שיטות עכשויות אינן נקיות ויעילות דיין.

שני כימאים מאוניברסיטת Northwestern, Mercouri G. Kanatzidis ו- Gerasimos S. Armatas, פיתחו משפחה חדשה של חומרים נקבוביים, הבנויים כעין יערת-דבש, שהינם יעילים ביותר בהפרדת מימן מתערובות גזים מורכבות. החומרים מציגים את הבררנות הגבוהה ביותר, לפי מיטב ידיעתם של החוקרים, בהפרדת מימן מתערבות שלו עם פחמן דו-חמצני ומתאן.

הממצאים, המציגים דרך חדשה לחלוטין להפרדת גזים, פורסמו בחודש פברואר בכתב-העת המדעי Nature Materials. החומרים מהווים משפחה חדשה של כלקוגנידים עתירי-גרמניום (chalcogenides, יסודות של קבוצה 16 בטבלה המחזורית, או קבוצת החמצן: חמצן, גופרית, סלניום, טלוריום, פולוניום והיסוד המלאכותי ununhexium).

"תהליך בררני יותר משמעו פחות מחזורים ליצירת מימן טהור, תוך הגברת היעילות," מציינים החוקרים. החומרים שלנו יוכלו לשמש כמסננים (ממבראנות, קרומיות) יעילים ביותר עבור הפרדת גזים. הצלחנו להדגים את ביצועיהם המשופרים."

בשיטות רווחות ליצירת מימן בשלב הראשון מתקבלת תערובת של מימן ופחמן דו-חמצני או תערובת כזו בתוספת של הגז מתאן. הטכנולוגיה המשמשת עבור הצעד הבא בתהליך – הרחקת המימן מתערובות אלו – מפרידה את פרודות הגז בהתאם לגודלם, שלב שהוא קשה ומורכב יחסית.

החוקרים מציעים פתרון טוב יותר. החומרים החדשים שלהם אינם מתבססים בהפרדתם על הגודל של הפרודות, אלא על הקיטוב שלהן – פעולת הגומלין של פרודות הגז עם הדופנות של החומר במהלך מעברן דרך הקרומית. זהו הבסיס של שיטת ההפרדה החדשה הזו.

בחינת חומר אחד ממשפחה חדשה זו – צורה המורכבת מהיסודות הכבדים גרמניום, עופרת וטלוריום – הראתה כי החומר בררני יותר פי ארבעה בהפרדת מימן מפחמן דו-חמצני מאשר שיטות קיימות, המשתמשות ביסודות קלים יותר כגון צורן, חמצן ופחמן.

"אנו מנצלים את מה שאנו מכנים אטומים "רכים" המרכיבים את דופנות הקרומית," מסביר החוקר. "אטומי דופנות רכים אלו מעדיפים להגיב עם פרודות "רכות" אחרות העוברות דרכן, תוך כדי האטת תנועתן במהלך המעבר בקרומית. מימן, היסוד הקטן ביותר הקיים, מהווה פרודה "קשה". הוא פשוט עובר באופן מהיר בעוד שפרודות רכות יותר, כגון פחמן דו-חמצני ומתאן, משתהות בדרכן יותר זמן."

החוקרים בחנו את הקרומית שלהם על תערובת מורכבת של ארבעה גזים שונים. המימן עבר ראשון, אחריו פחמן חד-חמצני, ואחריהם מתאן ופחמן דו-חמצני. זאת כתוצאה מהעובדה כי הפרודה הקטנה והקשיחה ביותר, מימן, מגיבה בשיעור החלש ביותר עם הקרומית, בעוד שפחמן דו-חמצני, המהווה את הפרודה הרכה ביותר מבין ארבעת הגזים, מגיב בשיעור החזק ביותר. יתרון נוסף של תהליך זה טמון בעובדה כי טווח הטמפרטורות הוא נוח ביותר – בין אפס מעלות צלסיוס לטמפרטורת החדר.

פעפוע של פרודות קטנות דרך חומרים נקבוביים הינו תופעה ננוסקופית – מסבירים החוקרים. כל החרירים במבנה המשושה של יערת-הדבש סדורים ומקבילים, כאשר כל חריר הוא בקוטר של שניים או שלושה ננומטרים. כל פרודות הגז הן בגודל של לפחות חצי ננומטר.

הידיעה המקורית מהאוניברסיטה