חומרים חדשים וזולים לייצור דלק מימן

במאמר שפורסם בכתב-העת היוקרתי Science, מתארים המדענים כיצד הם הצליחו לשלב חומרים מבוססי תחמוצת וזולים לשם הביקוע של מים לגז מימן ולגז חמצן בעזרת ניצול אנרגיית השמש עם יעילות המרה בשיעור של 1.7%

ייצור חשמל אינו האופן היחיד שבו ניתן להמיר את קרני השמש לאנרגיה לפי דרישה. השמש יכולה גם ליזום תגובות כימיות היוצרות דלקים כימיים, למשל מימן, שהוא בתורו יכול להניע רכבים, משאיות ורכבות. מדענים הצליחו עתה לשלב חומרים מבוססי תחמוצות וזולים לשם הביקוע של מים לגז מימן ולגז חמצן בעזרת ניצול אנרגיית השמש עם יעילות המרה בשיעור של 1.7%, השיעור הגבוה ביותר שדווח עד כה עבור מערכת פוטו-אלקטרודה מבוססת תחמוצות.

האתגר הגדול של הפקת דלק בעזרת אנרגיה סולארית הוא עלות ייצורם של המוליכים-למחצה המשמשים ללכידת קרני השמש והזרזים המשמשים ליצירת הדלק עצמו. החומרים היעילים ביותר הקיימים היום לביצוע משימה זו יקרים מדי בכדי להפיק דלק במחיר היכול להתחרות במחיר של בנזין. “על מנת לפתח התקנים לייצור דלק סולארי בעלי זכות קיום כלכלית, יש להפחית משמעותית את עלות החומרים עצמם והתהליכים תוך השגת יעילות המרה גבוהה,” אומרת הפרופסור לכימיה Kyoung-Shin Choi מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון.

במאמר שפורסם בכתב-העת היוקרתי Science, מתארים המדענים כיצד הם הצליחו לשלב חומרים מבוססי תחמוצת וזולים לשם הביקוע של מים לגז מימן ולגז חמצן בעזרת ניצול אנרגיית השמש עם יעילות המרה בשיעור של 1.7%, השיעור הגבוה ביותר שדווח עד כה עבור מערכת פוטו-אלקטרודה מבוססת תחמוצות. החוקרים הכינו תאים סולאריים מהחומר ביסמוט ונאדאט (bismuth vanadate) בעזרת שיטה של אלקטרו-ריבוץ (electrodeposition) – אותו התהליך המשמש לציפוי תכשיטים בשכבת זהב או לצביעת שלדי רכבים – זאת לשם הגדלת שטח הפנים של התרכובת לשיעור יוצא דופן של 32 מ”ר לכל גרם. “ללא ציוד מתוחכם, טמפרטורה גבוהה או לחצים גבוהים, הצלחנו ליצור מוליך למחצה ננו-נקבובי המורכב מחלקיקים זעירים בעלי שטח פנים גבוה במיוחד,” מסבירה החוקרת הראשית. “שטח פנים גדול יותר משמעותו הרבה יותר שטח מגע עם מולקולות מים, כלומר – ביקוע מים יעיל יותר.” החומר ביסמוט ונאדאט צריך מעט עזרה על מנת להאיץ את התגובה האחראית ליצירת הדלק, וכאן נכנסים לתפקידם צמד זרזים.

על אף העובדה כי קיימות קבוצות מחקר רבות המנסות לפתח מוליכים למחצה פוטו-אלקטרוניים, וזרזים יעילים לביקוע מולקולות מים, החוקרת הראשית מסבירה כי קיימת התייחסות מועטה בלבד באשר לממשק שבין המוליך למחצה לבין הזרז. “הבעיה היא שבסופו של דבר אתה חייב לצרף אותם יחדיו,” היא אומרת. “גם אם יש לך את המוליך למחצה הטוב ביותר בעולם ואת הזרז הטוב ביותר בעולם, היעילות הכוללת שלהם עשויה להיות מוגבלת ע”י הממשק מוליך למחצה-זרז.” החוקרים ניצלו צמד של זרזים פשוטים וזולים – תחמוצת ברזל ותחמוצת ניקל – וקיבעו אותם על גביי החומר ביסמוט ונאדאט לשם ניצול היתרון הטמון בחוזק שלהם.

“מאחר ואף זרז יחיד לא מסוגל ליצור ממשק טוב הן עם המוליך למחצה והן עם המים המתפקדים בתור המגיב שלנו, בחרנו לפצל את המשימה לשני חלקים,” מסבירה החוקרת. “תחמוצת הברזל יוצרת ממשק טוב עם ביסמוט ונאדאט ותחמוצת הניקל יוצרת ממשק קטליטי טוב עם המים. לכן השתמשנו בהם יחדיו.” העיצוב של זרז דו-שכבתי מאפשר ייעול בו-זמנית הן של הממשק מוליך-למחצה-זרז והן של הממשק זרז-מים. “השילוב של צמד זרזים זולים אלו עם האלקטרודה הננו-נקבובית בעלת שטח הפנים הגדול מוליד מערכת פוטו-אלקטרודית זולה המורכבת כולה מתחמוצות ובעלת יעילות שיא,” מסבירה החוקרת הראשית.

החוקרת מקווה כי התוצאות של מחקרה יעודדו קבוצות מחקר אחרות בעולם להשיג התקדמות בתחום זה. “חוקרים אחרים הבודקים סוגים שונים של מוליכים למחצה או זרזים יכולים להתחיל ולהשתמש בגישה שלנו על מנת לזהות את השילובים היעילים ביותר למשימה זו,” היא מציינת.

הידיעה על המחקר