מערכת חדשנית שפותחה בטכניון מציגה נצילות חסרת תקדים בהפקת מימן ממים באמצעות אנרגיית שמש.
פרופ’-משנה לילך עמירב
כתב העת Nano Letters מדווח על תפנית דרמטית בתחום של הפקת דלק מימן: נצילות של 100% בתהליך ההפקה. פריצת הדרך התרחשה במעבדתה של פרופ’-משנה לילך עמירב מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך, ותמציתה: קפיצה משמעותית מ-60% ל-100% – בייצור דלק מימן על ידי פירוק מים באמצעות אנרגיית שמש.
דלק מימן נחשב למקור אנרגיה מבטיח בעיקר משום שהוא מופק ממים, הזמינים תמיד, ולכן אינו כרוך בבעיות פוליטיות וכלכליות המאפיינות את שוק האנרגיה המסורתי; ומפני שבניגוד לדלקים מחצביים (בנזין וכיו”ב), השימוש בו אינו מזהם. זו הסיבה שארה”ב לבדה משקיעה מיליארדי דולרים בתוכניות כגון Hydrogen Fuel Initiative, המעודדות פיתוח טכנולוגיות לייצור מימן. יתר על כן, תהליכים פוטוקטליטיים אלה, שבהם מפורקים מים למימן ולחמצן, רלוונטיים גם לתחומים אחרים ובהם המרת אנרגיה וטיהור מי שפכים.
עם זאת, אילוצים רבים מקשים על פיתוחם של תהליכי פוטוקטליזה יעילים המקיימים את התנאים הבסיסיים הבאים: קליטה מיטבית של קרינת השמש על ידי החומר הקטליטי; פירוק יעיל של המים לחמצן ולמימן ללא מפגש ביניהם (העשוי להוביל לפיצוץ), ויציבות של המערכת כך שלא תאבד את יעילותה במהלך הזמן.
כעת, כאמור, מדווח כתב העת Nano Letters על פריצת דרך שהושגה במעבדתה של פרופ’-משנה לילך עמירב, חברת סגל בפקולטה לכימיה ע”ש שוליך וחברה במכון לננוטכנולוגיה ע”ש ראסל ברי ובתוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון. בשעה שרוב המאמץ המחקרי בעולם נעשה בנתיב האמפירי – ניסוי וטעייה בחומרים שונים ובדיקת יעילותם – במעבדתה של פרופ’-משנה עמירב מפותחים חומרים קטליטיים על סמך איפיון מדויק של החומר ברמת החלקיק הבודד. כך פותחו במהלך השנים חומרים מלאכותיים מתקדמים המתאימים למשימה הפוטוקטליטית באופן אופטימלי. המערכת החדשה המוצגת במאמר הנוכחי מוכיחה שהמאמץ השתלם; מערכת זו, שבמרכזה פוטוקטליסט ננומטרי הפועל בסביבה בסיסית מאוד, שובר את כל המוסכמות הקודמות באשר לניצולת מקסימלית ומפיק 360,000 מוֹל מימן לשעה לכל מוֹל של קטליסט.
באיור: פוטוקטליסט ננומטרי המורכב מנקודה קוונטית (בירוק) המוטמעת בננו-מוט (בצהוב) שבקצהו השני חלקיק פלטינה (סגול)
המערכת בנויה משני מוליכים למחצה, הערוכים כחלקיק ננומטרי זעיר (נקודה קוונטית) מחומר אחד, שתול באופן לא סימטרי בתוך החומר השני שצורתו מוט ננומטרי, ובקצה המוט חלקיק פלטינה. לנקודה הקוונטית יכולת למשוך ולאגור מטענים חיובים. כאשר המערכת מושרית במים ונחשפת לאור שמש, הננו-מוט קולט פוטונים (אור) ומשחרר מטענים. האלקטרונים (מטען שלילי) מצטברים בחלקיק הפלטינה, בעוד שמטענים החיוביים נצברים בנקודה הקוונטית. ההפרדה הפיסית בין המטענים הללו היא המפתח להצלחת המערכת. האלקטרונים אחראים לחיזור, הראקציה שמייצרת מימן מהמים. כשמולקולת מים נשברת משתחרר יון מימן טעון חיובית. כאשר שני יונים כאלה מגיבים עם שני אלקטרונים, על גבי הפלטינה, הם חוברים יחד ליצירת מולקולת מימן. את יעילות התוצאה, כאמור, היא נצילות של 100% בתהליך זה, כלומר כל שני פוטונים יצרו מולקולת מימן, ללא אובדנים, יעד שנחשב עד כה בלתי אפשרי למימוש..