ידענים: דלק מימן

מאת 4 במרץ 2017 אין תגובות

כיצד ניתן להפיק מימן בדרך של הפרדתו ממים, מבלי שיופיע תוצר הלוואי של התהליך – מימן על-חמצני? מדענים ממכון ויצמן ושותפיהם הצליחו באחרונה לעכב את ייצור המימן העל-חמצני, באמצעות שליטה בספין (תקיפת הסחרור) של האלקטרונים המשתתפים בתגובה. 

מבנים מולקולריים אשר "מסננים" אלקטרונים על-פי המבנה הכיראלי שלהם. מקור: מגזין מכון ויצמן.

מבנים מולקולריים אשר "מסננים" אלקטרונים על-פי המבנה הכיראלי שלהם. מקור: מגזין מכון ויצמן.

מימן, היסוד הנפוץ ביותר ביקום, עשוי לשמש דלק יעיל, מתחדש וידידותי לסביבה. שריפתו אינה מזהמת את האוויר. אבל ניסיונות להפקת מימן בדרך של הפרדתו ממים (המורכבים מחמצן וממימן), נתקלו במכשול בדמות תוצר הלוואי של התהליך – מימן על-חמצני ("מי חמצן"), המשפיע הן על יעילות התגובה והן על יציבות התהליך. מדענים ממכון ויצמן למדע ומהאוניברסיטה לטכנולוגיה באיינדהובן, הולנד, הצליחו באחרונה לעכב במידה רבה את ייצור המימן העל-חמצני, באמצעות שליטה בספין (תקיפת הסיחרור) של האלקטרונים המשתתפים בתגובה. ממצאיהם פורסמו בכתב-העת המדעי Journal of American Chemical Society.

מדענים רבים שואפים לפתח דרך לפירוק מים למרכיביהם, באמצעות אנרגיית השמש, שתיקלט בתאים פוטו-אלקטרוכימיים (סולאריים). אלא שעד כה הייתה יעילותו של תהליך פירוק המים בדרך זו נמוכה יחסית, ולכך נוסף תוצר הלוואי הלא רצוי, מימן על-חמצני, הגורם קורוזיה בחלק מהמגעים החשמליים במערכת, דבר שמפחית עוד יותר את יעילות התהליך.

כאן נכנסו לתמונה פרופ' רון נעמן מהמחלקה לפיסיקה כימית במכון ויצמן למדע ושותפו למחקר, פרופ' ברט מאייר מהאוניברסיטה לטכנולוגיה באיינדהובן, הולנד. הם התמקדו בתפקיד שממלאת תכונת הספין (תקיפת סיחרור) של האלקטרונים המשתתפים בתגובה הכימית של פירוק המים והפרדת המימן. הנחת המוצא שלהם הייתה, שאם אפשר יהיה לתאם שני ספינים של אלקטרונים משני צדדי התהליך, כי אז תימנע ההיווצרות של מימן על-חמצני. זאת, מכיוון שלמצב היסוד (הקוונטי) של מימן על-חמצני נדרשים שני אלקטרונים בעלי ספינים בכיוונים הפוכים; חמצן, לעומת זאת, נוצר כאשר הספינים של האלקטרונים שבו מתואמים באותו כיוון.

הסוד להצלחת המחקר היה צבע. המדענים ציפו את אחת האלקטרודות בתא הפוטו-אלקטרוכימי (אנודה מטיטניום דו-חמצני), בצבע אורגני המכיל מבנים על-מולקולריים כיראליים (כלומר מבנים שלא ניתן ליצור חפיפה בינם לבין תמונת הראי שלהם). מבנים ייחודיים אלה איפשרו למדענים להזרים לתגובה הכימית רק אלקטרונים בעלי ספין בכיוון מסוים. עבודה זו התבססה על ממצאי מחקר קודם במעבדתו של פרופ' נעמן, שבו הראה כי העברת אלקטרונים דרך מולקולות כיראליות היא בררנית, ותלויה בספינים של האלקטרונים. כלומר, מולקולות כאלה עשויות לשמש מעין "מסננות" אשר מעבירות דרכן אלקטרונים שהספינים שלהם מכוונים בכיוון מסוים. "כשהפעלנו את סינון הספינים על תהליך פירוק המים", אומר פרופ' נעמן. "עוכבה היווצרות המימן העל-חמצני באופן כמעט מלא. ומעבר לזה, הזרם בתא גָבַר במידה רבה". היות שבטבע יש הרבה מאוד מולקולות כיראליות, המדענים צופים שלממצא זה תהיה משמעות רבה בתחומי מחקר רבים.

"מוקדם עדיין לומר כיצד עשוי ממצא זה לשפר את יעילות ההפקה של דלק מימן", אומר פרופ' מאייר. "בשלב זה, בדעתנו להמשיך במחקר הבסיסי שנועד להעמיק את ההבנה  וליצור אופטימיזציה של התהליך".

#מספרי_מדע

שליטה בספין של אלקטרונים משפרת את יעילות יצור המימן ב-50%.

הוספת תגובה

  • (will not be published)