התקדמות מבטיחה בטכנולוגיית תאי-דלק

כימאים מאוני’ בראון הצליחו להכין מערכת ייחודית של ליבה ומעטפת ננו-חלקיקית המנצלת הרבה פחות פלטינה ועדיין פועלת באופן יעיל ומתמשך

הכנת זרזים, המסוגלים לפעול לאורך זמן וביעילות, מהווה מחסום רציני בהעברת טכנולוגיה של תאי-דלק משולחן המעבדה לפס הייצור. המתכת היקרה פלטינה הייתה הבחירה של רבים מהחוקרים בתחום זה, אולם למתכת זו שני חסרונות משמעותיים: היא יקרה והיא מאבדת מפעילותה בחלוף הזמן בתגובות של תא דלק.

במחקר חדש, כימאים מאוניברסיטת בראון מדווחים על התקדמות מבטיחה בתחום זה. הם הצליחו להכין מערכת ייחודית של ליבה ומעטפת ננו-חלקיקית המנצלת הרבה פחות פלטינה ועדיין פועלת באופן יעיל ומתמשך יותר מאשר זרזים זמינים מסחרית המבוססים על פלטינה בלבד.

הכימיה שבלב תא-הדלק, המכונה תגובת חיזור של חמצן, ואשר מתרחשת בקתודה של התא, מייצרת מים כחומר “הפסולת” היחיד ולא את גז החממה פחמן דו-חמצני, הנוצר במערכות של בעירה פנימית.

הקתודה אחראית גם לאובדן היעילות של התא, עד כדי רמה של ארבעים אחוזים ממנו, כך “שזהו שלב חיוני בהכנתם של תאי-דלק תחרותיים יותר מאשר מנועי בעירה פנימית וסוללות,” אמר החוקר Shouheng Sun, פרופסור לכימיה באוניברסיטת בראון ואחד מכותבי המאמר המתאר את המחקר, מאמר שפורסם בכתב-העת המדעי Journal of the American Chemical Society.

צוות המחקר הכין ליבת פלאדיום בגודל של חמישה ננומטרים והקיף אותה במעטפת המורכבת מברזל ופלטינה (FePt). התחבולה, מסביר החוקר, הייתה לעצב מעטפת שתשמר את המבנה שלה וכן שתידרש לכמות המועטה האפשרית של פלטינה לשם קבלת תגובה כימית רצויה. הצוות הכין את מעטפת הברזל-פלטינה באמצעות פירוק ברזל-פנטאקרבוניל[Fe(CO)5] וחיזור של פלטינה-אצטילאצטון [Pt(acac)2], שיטה שעליה דיווח החוקר הראשי בשנת 2000 בכתב-העת Science. התוצאה המתקבלת הייתה מעטפת המנצלת רק שלושים אחוזים מכמות הפלטינה הראשונית, למרות שהחוקרים טוענים כי הם צופים שיוכלו להכין מעטפות דקות עוד יותר שמשתמשות בכמות מועטה יותר של פלטינה.

החוקרים הדגימו לראשונה אי-פעם שהם מסוגלים להכין באופן עקבי מבנים של ליבה-מעטפת ייחודיים. בניסויי מעבדה, ננו-החלקיקים של המערכת פלאדיום/ברזל-פלטינה הניבו זרם הגדול פי 12 מזה המתקבל במערכות בהן נעשה שימוש בזרזים מסחריים המורכבים מפלטינה בלבד עבור אותו משקל זרז.

גם התפוקה נותרה עקבית לאחר 10,000 מחזורים, לפחות עשר פעמים יותר מאשר מערכות זמינות מסחרית של פלטינה המתחילות לאבד מפעילותן הרצויה לאחר 1000 מחזורים בלבד. החוקרים הכינו מעטפות ברזל-פלטינה שהשתרעו בגודלן מננומטר אחד ועד שלושה. בניסויי מעבדה החוקרים מצאו כי מעטפות בגודל של ננומטר אחד פועלות באופן הטוב ביותר.

“זוהי הדגמה טובה מאוד, שזרזים המורכבים מליבה ומעטפת ניתנים להכנה בקלות בכמויות של חצי-גרם במעבדה, שהם פעילים ושהם עמידים לאורך זמן,” מציין החוקר. “השלב הבא הוא לייצר אותם בקנה-מידה מסחרי ואנו משוכנעים כי נוכל לעשות כן.”

החוקרים מנסים להבין מדוע ליבת הפלאדיום מצליחה להגביר את היכולות הקטליטיות של המעטפת ברזל-פלטינה, וכרגע הם סבורים כי זה קשור להעברת אלקטרונים בין מתכות הליבה והמעטפת. כרגע הם מנסים להשתמש במתכות הפעילות כימית יותר מאשר פלאדיום כליבת המערכת בכדי לאמת כי העברת האלקטרונים בין הליבה למעטפת היא אכן הגורם המשפיע על תפקודו של הזרז.

הידיעה מהאוניברסיטה