מדענים, מהמעבדה הלאומית של משרד האנרגיה בארה”ב, הצליחו לשנות את המבנה האטומי של שכבת פני-השטח של ננו-גבישי דו-תחמוצת הטיטאניום, ופיתחו בכך זרז עמיד ויעיל יותר מכל החומרים האחרים המשמשים היום לשם ניצול אנרגיית השמש עבור הפקת מימן ממים.
הפוטו-זרז שלהם, אשר מאיץ תגובות כימיות מושרות-אור, הינו הראשון אשר אצורים בו הן יציבות והן יעילות חסרת-תקדים, תכונות ההופכות אותו למועמד מוביל לשימוש במספר טכנולוגיות של אנרגיה נקייה.
הזרז אמור לספק אמצעי להפקה נטולת זיהום של מימן, הגז אשר יוכל לשמש כנשא אנרגיה בתאי דלק. כיום מתייחסים לתאי דלק כחלופה מתאימה למנועי בעירה ברכבים. אולם, מימן מולקולארי מצוי בכדור-הארץ בריכוזים קטנים בלבד ויש צורך להפיקו ממקורות אחרים כגון גז טבעי או מים – הפקה שבה כרוכים תהליכים הצורכים כמויות אנרגיה רבות, ותהליכים אלו מהווים חסמים ליישום נפוץ של טכנולוגיה זו.
“אנו מנסים למצוא דרכים טובות יותר להפקת מימן מתוך מים באמצעות קרינת השמש,” אומר Samuel Mao, מדען במחלקה לטכנולוגיות אנרגיה סביבתיות במעבדת ברקלי. “במחקר זה הצלחנו להחדיר אי-סדר לתוך ננו-גבישי דו-תחמוצת הטיטאניום, מאפיין אשר משפר את יכולתו לקלוט קרינת אור ואת יעילותו בהפקת מימן מתוך מים.”
החוקרים מציינים כי ננו-גבישים של דו-תחמוצת הטיטאניום, שהינה חומר מוליך למחצה, משמשים כפוטו-זרזים לשם האצת תגובות כימיות, כגון ניצול אנרגיה מהשמש לאספקת אלקטרונים אשר מבקעים את המים לגזים חמצן ומימן. למרות יציבותה, דו-תחמוצת הטיטאניום אינה יעילה מאוד כפוטו-זרז. מדענים ניסו במשך השנים לשפר את יעילותה באמצעות החדרה מכוונת של זיהומים וכן באמצעות הכנסת שינויים אחרים.
החוקרים ממעבדת ברקלי השתמשו בגישה חדשה. בנוסף להחדרה מכוונת של זיהומים, הם הצליחו להכניס אי-סדר למבנה הסריגי המאורגן והמסודר באופן מושלם של שכבת פני-השטח של ננו-גבישי דו-תחמוצת הטיטאניום. אי-סדר זה הוכנס באמצעות תהליך של הידרוגנציה (הוספת אטומי מימן למולקולה).
התוצאה שהתקבלה הינה ננו-הגביש הראשון אי-פעם שהוכנס אליו אי-סדר מכוון. אחד מהשינויים בחומר החדש נצפה בקלות: ננו-גבישי דו-תחמוצת הטיטאניום שצבעם לבן הפכו לשחורים, סימן לכך שאי-הסדר המכוון שהוכנס לחומר הוביל לבליעת קרינה בתחום התת-אדום (infrared).
החוקרים טבלו את ננו-הגבישים החדשים במים וחשפו אותם לקרינת-שמש. הם מצאו כי עשרים וארבעה אחוזים מהקרינה שנקלטה ע”י פוטו-הזרזים הומרו לגז מימן – שיעור המרה הגדול פי כמאה מרוב פוטו-הזרזים המוליכים למחצה הקיימים היום. בנוסף, החוקרים מצאו כי החומר אינו מתפרק במהלך תקופת ניסיון של 22 ימים – תוצאה המצביעה על כך שהחומר עשוי להיות מתאים לשימושים מעשיים.
היעילות חסרת התקדים נובעת ברובה מהיכולת של הפוטו-זרז לקלוט קרינה תת-אדומה, יכולת ההופכת את החומר לפוטו-זרז הראשון אי-פעם מהסוג של דו-תחמוצת הטיטאניום המסוגל לקלוט קרינה באורכי-גל אלו. החומר החדש קולט גם קרינת אור נראה וקרינה על-סגולה. בניגוד לכך, רוב פוטו-הזרזים מסוג דו-תחמוצת הטיטאניום קולטים קרינה על-סגולה בלבד ואלו המכילים בתוכם פגמים מבניים עשויים לקלוט קרינת אור נראה. קרינה על-סגולה מהווה רק כעשרה אחוזים מהמקור לאנרגיה סולארית.
“ככל שניתן לקלוט יותר אנרגיה מהשמש באמצעות פוטו-זרז, כך יהיו יותר אלקטרונים שיוכלו לשמש עבור התגובה הכימית – מאפיין ההופך את דו-תחמוצת הטיטאניום השחורה שלנו לחומר חשוב ביותר,” מציין החוקר, פרופסור להנדסה באוניברסיטת ברקלי, קליפורניה.
חישובים תיאורטיים שנערכו ע”י החוקרים הראו כי אי-הסדר, במתכונת של פגמים מבניים בסריג ואטומי מימן, מאפשר לפוטונים הנקלטים מבחוץ לעורר אלקטרונים המסוגלים, בתורם, לדלג דרך מרווח שבאופן רגיל לא אפשרי במצב המקורי. מרגע שהאלקטרונים עברו את המרווח הזה הם מסוגלים לספק את האנרגיה הנדרשת לתגובה הכימית שבאמצעותה מפורקים מים לחמצן ומימן. “באמצעות הכנסה מכוונת של אי-סדר מסוג מאוד מסוים נוצרים מצבים אלקטרוניים חדשים, המאפשרים הפחתה בצריכת האנרגיה לתהליך כולו,” מסביר החוקר. “הדבר מאפשר לנצל את התחום של הקרינה התת-אדומה שבאור השמש לטובת שיפור יכולתו הפוטו-קטליטית של החומר.”
