לשבור את המים

Prof. Yeshayahu (Shay) Lifshitz

חומר חדש מגדיל פי 10 את יעילותו של תהליך הפוטו-קטליזה לייצור מימן ממים.

כתב העת Science (27 בפברואר 2015) מדווח על פריצת דרך בתחום של איחסון אנרגיה מתחדשת: חומר מזרז חדש, המאפשר ייצור מימן בדרך זולה, יעילה ויציבה לאורך זמן.

מימן נחשב לדלק עתידי מבטיח משום שהוא מופק ממים, הזמינים תמיד, ומפני שכיום כבר קיימות טכנולוגיות המאפשרות את השימוש בו (למשל בהנעת רכב) ללא זיהום נלווה וללא פליטה של גזי חממה. לפיכך ברורה האטרקטיביות שלו לעומת מקורות האנרגיה המסורתיים (נפט ופחם) וגם מול מקורות של אנרגיה מתחדשת. לכן מושקעים בארה”ב לבדה מיליארדי דולרים בתוכניות כגון Hydrogen Fuel Initiative, שמטרתן פיתוח טכנולוגיות לייצור מימן ולשימוש בו.

בייצור מימן באמצעות פוטו-קטליזה מומסת במים אבקה פוטו-קטליסטית, שכאשר פוגעות בה קרני שמש היא מפרקת את מולקולות המים למימן וחמצן. הפוטו-קטליסטים הקיימים לוקים בחסרונות בשלושה היבטים: מחיר גבוה, יעילות המרה נמוכה (כלומר ניצול לא יעיל של אנרגית השמש); ואי-יציבות של התהליך (החומר מפסיק לפעול כעבור שעות ספורות).

פרופסור ישעיהו ליפשיץ מהפקולטה למדע והנדסת חומרים בטכניון, ועמיתיו הפרופסורים שוט טונג לי וז’נחוי קנג מאוניברסיטת סוצ’ואו בסין, עמדו בראש צוות מחקר סיני שפיתח פוטו-קטליסט חדש. מדובר בגבישים של פחמן חנקני, שבתוכם לכודים גבישים ננו-מטריים של פחמן. יתרונותיו של חומר זה, מתברר, ניכרים בשלושת ההיבטים האמורים: עלות, יעילות ויציבות.

הפוטו-קטליסט החדש פועל בשני שלבים: (1) פירוק המים באור השמש למי-חמצן ומימן על ידי הפחמן החנקני; (2) פירוק מי-החמצן למים ולחמצן על ידי גבישי הפחמן הננו-מטריים. לגבישים אלה תפקיד נוסף: שיפור בליעת קרני השמש על ידי הפוטו-קטליסט, במיוחד באורכי הגל שבהם קרינת השמש מקסימלית (תחום הכתום).

הפוטו-קטליסט החדש מפגין יעילות המרה גבוהה פי 10 (ואף יותר) מיעילויות ההמרה של פוטו-קטליסטים קיימים. מחקר טכני-כלכלי שיזם משרד האנרגיה האמריקאי מראה ששימוש בפוטו-קטליסט בעל יעילות אנרגטית כזו (2%) מאפשר ייצור מימן בעלות של 6 דולר לק”ג מימן. מחיר זה קרוב מאוד למחיר-היעד שהגדיר המשרד: 4 דולר לק”ג.
“היעילות המקסימלית התיאורטית היא 15%,” אומר פרופסור ליפשיץ, “כך שיש עדיין מקום רב לשיפור היעילות ולהוזלת העלות, אבל אין ספק שנעשה כאן צעד דרמטי מאוד בדרך הזאת.”

 פרופסור ישעיהו ליפשיץ השלים שלושה תארים בפיזיקה (בוגר באוניברסיטה העברית, מוסמך באוניברסיטת תל אביב ודוקטור במכון ויצמן). הוא כיהן כחוקר בכיר במרכז למחקר גרעיני (ממ”ג) בנחל שורק, שם ייסד וניהל את תחום מבדקות חלל (בדיקת עמידות חומרים ורכיבים המשמשים בלווינים ישראלים). הוא התפרסם כאבי מודל ה”השתלה הרדודה”, המהווה את הבסיס לתהליכים המודרניים של ציפוי חומרים, וכן הסביר לראשונה את מנגנון יצירתם של גבישי יהלום במעבדה. כיום הוא פרופסור מן המניין בפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון, ומאז 2014 גם באוניברסיטת סוצ’ואו, שם בוצע המחקר הנוכחי. הוא נכלל ברשימת מאה מדעני החומרים המובילים בעולם בעשור הראשון של המאה ה-21, שפורסמה על ידי “תומסון רויטרז” ובמוסף להשכלה גבוהה של ה”טיימס”. מאמרו הנוכחי
ב-Science  מתווסף למאמרים שכבר פירסם בעבר ב-Science וב-Nature.

למאמר המקורי :

Liu et al, “Metal-free efficient photocatalyst for stable visible water splitting via a two-electron pathway”, Science, 347(6225), 970, 27 September 2015.