חוקרי הטכניון ו-EPFL הגיעו לשיא חדש של קצב המרת אנרגיה סולרית לדלק מימן על ידי פירוק מים באמצעות חלודה

“בעקבות הירידה החדה במחירי הפנלים הסולריים הפוטו-וולטאיים בשנים האחרונות, נוצרה הזדמנות לעבור לייצור חשמל נקי, זמין וזול שמקורו באנרגיה סולרית במקום בתחנות כוח פחמיות המזהמות את הסביבה”, אומר פרופסור אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון.

חוקרי הטכניון ו-EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) הגיעו לשיא חדש של קצב המרת אנרגיה סולרית למימן על ידי פירוק מים באמצעות אלקטרודות מתחמוצת ברזל (חלודה) בעלת מבנה ננומטרי מיוחד. בשילוב עם פנלים סולריים פוטו-וולטאיים, אלקטרודות אלו יוכלו לייצר מימן בזמן שהפנל הסולרי מייצר חשמל על מנת לאגור את עודפי האנרגיה הסולרית בשעות היום ולהמירם לחשמל בשעות החשיכה.

“בעקבות הירידה החדה במחירי הפנלים הסולריים הפוטו-וולטאיים בשנים האחרונות, נוצרה הזדמנות לעבור לייצור חשמל נקי, זמין וזול שמקורו באנרגיה סולרית במקום בתחנות כוח פחמיות המזהמות את הסביבה”, אומר פרופסור אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון. “בשנה שעברה הותקנו באירופה פנלים סולריים המייצרים חשמל בהספק גדול יותר מזה של כל תחנות הכוח החדשות, שהותקנו בכל רחבי אירופה באותה התקופה, לייצור חשמל מפחם ומגז טבעי גם יחד. החסם הטכנולוגי העיקרי העומד בפני מעבר רחב היקף מייצור חשמל מזהם באמצעות שריפה של פחם וגז טבעי לייצור חשמל נקי באמצעות אנרגיה סולרית נובע מהצורך לגשר על הפער בין ייצור החשמל בשעות היום, בהן השמש זורחת, לבין צריכת החשמל בשעות הערב, הלילה ולפנות בוקר בהן מקור האנרגיה, כלומר, אור השמש, אינו זמין”.

בעזרת אור השמש אלקטרודות מתחמוצת ברזל יכולות לפרק את מולקולות המים למימן וחמצן באופן יעיל וזול, בפוטנציה. את המימן שנוצר בשעות היום ניתן לאגור ולהמירו לחשמל בשעות החשיכה באמצעות תא דלק מימני. לחילופין, ניתן להשתמש בו בחומר גלם לייצור חומרים אחרים בעלי ערך מוסף, כגון אמוניה לתעשיית הדשנים הכימיים או דלק נוזלי לתחבורה.

בעבודה הנוכחית, שפורסמה בכתב העת המדעי היוקרתי Nature Materials, גילה ד”ר סקוט וורן Scott) Warren), פוסט-דוקטורנט בקבוצת המחקר של פרופ’ מייקל גרצל (Michael Grätzel) מ- EPFL, כי יש קשר מובהק בין מבנה וסידור החלקיקים הננומטריים מהן מורכבות האלקטרודות והקצב שבו הן מסוגלות לפרק מים ולייצר מימן וחמצן באמצעות אור השמש. שינוי קל בתנאי ההכנה של האלקטרודות הביא למבנה מיוחד בו החלקיקים מסודרים באופן אחיד לעומת סידור אקראי שלהם בתהליך ההכנה הרגיל של האלקטרודה. כתוצאה מכך, קצב ייצור המימן גדל בכשלושים אחוזים, לעומת השיא הקודם, והגיע לשיא חדש של כ-17 ליטר לשעה לאלקטרודה בשטח של מטר על מטר. “בקצב שכזה”, מסביר פרופסור רוטשילד, “ניתן יהיה לתדלק רכב מימני באמצעות מתקן סולרי ביתי אשר יספק גם, בנוסף למימן, את כל תצרוכת החשמל של משפחה ממוצעת בישראל”.

“יעילותן הגבוהה של האלקטרודות החדשות, בעלות המבנה המסודר נובעת מהקטנת ההתנגדות למעבר זרם חשמלי דרכן”, מסביר חן דותן, דוקטורנט בקבוצת המחקר של פרופסור רוטשילד ואחד מכותבי המאמר. ” כתוצאה מכך המטען החשמלי שנוצר עקב בליעת האור באלקטרודה מסוגל לפרק את מולקולות המים באופן יעיל יותר מאשר באלקטרודות הקודמות, בעלות המבנה הלא מסודר, בו המטען החשמלי מאבד פוטנציאל בעוברו מחלקיק לחלקיק”.

עבודה זו מצטרפת לעבודה קודמת מקבוצת המחקר של פרופסור אבנר רוטשילד, שפורסמה גם היא ב- Nature Materials בשנה שעברה, בה הצליחו החוקרים לשפר את יעילותן של אלקטרודות העשויות משכבה דקה ביותר, בעובי של כ- 25 ננומטר, של תחמוצת ברזל על ידי כליאת האור בשכבה. עבודות אלו מסמנות פריצות דרך חדשות ומבטיחות, המצביעות על כך כי ניתן להשתמש בתחמוצת ברזל – חומר פשוט, נפוץ, זול, ויציב – להמרה ואגירה של אנרגיה סולרית וייצור דלק סינטטי נקי שאינו מזהם את הסביבה ואינו תורם לאפקט החממה. המחקר בנושא זה נתמך ע”י תכנית האנרגיה של שם גראנד, מרכז המצויינות לדלק סולרי, ותכנית ה- FTA בננופוטוניקה.
הפניה למאמר (החדש):
Scott C.Warren, Kislon Voïtchovsky, Hen Dotan, Celine M. Leroy, Maurin Cornuz, Francesco Stellacci, Cécile Hébert, Avner Rothschild and Michael Grätzel, ‘Identification of champion nanostructures for solar water-splitting’, Nature Materials online edition, July 7, 2013.