זרז חדש יאפשר למצות מימן לשימוש כדלק נקי

מדענים ממשרד האנרגיה של ארה”ב שילבו מחקרים תיאורטיים וניסיוניים לשם זיהוי המאפיינים של הזרז – צבר של אטומי רודיום, בור ויסודות נוספים שמאפשר לשחרר מימן לשימוש בתאי דלק

בכדי להשתמש במימן כמקור אנרגיה נקייה, מהנדסים אחדים מעוניינים להטמיע מימן בתוך פרודות גדולות יותר, במקום לדחוס את הגז למיכל. הגז משתחרר החוצה מהמיכל בקלות, אולם בכדי לשחרר את המימן מהפרודה הגדולה יותר, יש צורך בזרז. כעת, חוקרים גילו פרטים חדשים לגביי זרז אחד מסוג זה. הממצאים מהווים שלב נוסף בקידום הפיתוח של זרזים עבור יישומים של אנרגית מימן, כגון תאי-דלק.

מדענים ממשרד האנרגיה של ארה”ב שילבו מחקרים תיאורטיים וניסיוניים לשם זיהוי המאפיינים של הזרז – צבר של אטומי רודיום, בור ויסודות נוספים. הזרז מגיב כימית עם החומר בוראן האמוניה, תרכובת המאחסנת בתוכה בצפיפות מימן, לכדי שחרור של גז מימן. הממצאים שלהם, המגלים פרטים מולקולאריים רבים על תגובה קטליטית זו, פורסמו בגיליון אוגוסט של כתב-העת המדעי Journal of the American Chemical Society.

“ניסויים אלו מגלים לנו מהו השלב המורכב ביותר של התגובה הכימית,” אומר הכימאי וכותב המאמר Roger Rousseau. “אם נצליח למצוא דרך לשנות את השלב הבעייתי הזה, כלומר – לשחרר את המימן בקלות רבה יותר – אזי נוכל לשפר את הזרז הזה.”

חוקרים ומהנדסים מנסים לייצר מערכת של דלק מימן המאחסנת מימן באופן בטוח ומשחררת אותו בקלות, מערכת שתוכל לשמש בתאי-דלק או ביישומים דומים.

דרך אחת להשגת מערכת דלק שכזו הינה באמצעות אחסון מימן כחלק מפרודה גדולה יותר. הפרודה המכילה את אטומי המימן, במקרה שלנו, בוראן האמוניה, משמשת כעין תמיכה מבנית. הזרז משחרר את המימן מבוראן האמוניה בשעת הצורך בכדי להשתמש באנרגיה האצורה בתוכו.

החוקרים בחנו זרז מבוסס-רודיום המבצע את הפעילות הזו די בקלות, אולם הוא עדיין מכיל מקום לשיפורים. העבודה הראשונית שלהם הראתה כי הזרז פועל כפרודה המורכבת מליבה של ארבעה אטומי רודיום המסודרים במבנה טטראהדרלי, או פירמידה משולשת, כאשר כל פינה מכילה אטום בור ואטום נוסף. אולם, אטומי הרודיום והיסודות הנוספים יכולים להסתדר בעשרות תצורות שונות בפרודה.

לא היה די בפרטים אלו בכדי לבצע שיפורים – החוקרים ביקשו לדעת מהו המבנה המדויק, מבין כל המבנים האפשריים, של הזרז, וכן כיצד האטומים השונים פועלים יחדיו לשם “תלישת” אטומי המימן מבוראן האמוניה. לשם כך, החוקרים נדרשו לשלב תוצאות ניסיוניות ותיאורטיות, מאחר ואף שיטה לבדה לא הייתה מוצלחת בנפרד.

בתחילה, החוקרים עקבו אחר תגובת הזרז עם בוראן האמוניה באמצעות מספר שיטות. אחת מהחשובות שבהן הייתה שיטה פחות מוכרת בשם XAFS, שבה ניתן לקבל תמונות קרני-רנטגן של הזרז במהלך פעילותו. המידע מסוגי הניסויים השונים היה כעין חלקי תצרף שהחוקרים היו צריכים להתאים אחד לשני. לשם כך, החוקרים השתמשו במודלים ממוחשבים בכדי לבנות תצורה מולקולארית תיאורטית המתאימה לכל המידע שנצבר. ממודלים אלו התקבל המבנה המתאים ביותר לכל המידע שנאסף. לשם בחינת אמינותו של המבנה שהתקבל, החוקרים ביצעו הדמיות ממוחשבות בשיטת ה- XAFS של תגובת מבנה זה עם בוראן האמוניה. בשלב הבא הם השוו את המידע שהתקבל מההדמיות אלו עם מידע ניסיוני שנאסף עבור פעילות הזרז. שני אוספי המידע התאימו במידה רבה, בהציעם כי המבנה שהם תיארו מתאים ביותר למבנה האמיתי.

האופי הכימי של המבנה, יחד עם מידע ניסיוני נוסף, אפשרו לחוקרים לתאר את מנגנון התגובה הכימית המתרחשת בין הזרז לבין בוראן האמוניה. הממצאים מרמזים כי הזרז הפעיל “קוטף” מימן מאתרים מדויקים בפרודת בוראן האמוניה – אטומי חנקן הנושאים עליהם שני אטומי מימן. ראשית, הזרז תולש מימן אחד. זהו החלק המורכב ביותר בתגובה, מציין החוקר הראשי, והוא הופך את הקשרים שבין המימן שנותר לבין אטומי הבור בלתי-יציבים. כתוצאה מכך, הפרודה משחררת אטום מימן נוסף לשם ייצובה, ואטום זו חובר לאטום המימן שכבר יצא לקבלת פרודת מימן (H2) המשתחררת החוצה כגז, ויכולה לשמש בעתיד במנועים או בתאי-דלק.

עדיין נותרו פרטים נוספים שהחוקרים צריכים לאסוף, אומר החוקר הראשי, אולם כבר עכשיו מחקר זה מהווה צעד חשוב לפיתוח של זרז יעיל ובלתי-יקר.

הידיעה ממכון המחקר