חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת בן-גוריון מציגים הסבר לתעלומה רבת שנים בייצור מימן

כתב העת Energy & Environment Science מדווח על פריצת דרך מדעית בחקר ההמטייט – חומר חשוב ומבטיח בתחום של המרת אנרגיה סולרית למימן על ידי פיצול פוטואלקטרוכימי של מים. את המחקר הובילו פרופ’ אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון ויפעת פיקנר, דוקטורנטית בתוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון (GTEP).

תמונה קבוצתית מימין לשמאל: ד”ר דויד אליס, פרופ’ אבנר רוטשילד, ד”ר דניאל גרוה ויפעת פיקנר

חשיבותה של האנרגיה הסולרית לחיינו ברורה לכול. השמש משגרת אל כדור הארץ אנרגיה בלתי פוסקת, שאם נדע לרתום אותה כראוי לצרכינו נוכל לוותר על השימוש בדלקים פוסיליים מזהמים כגון נפט וגז. האתגר המרכזי במעבר לאנרגיה סולרית קשור בזמינות המשתנה של קרינת השמש במשך שעות היממה ולאורך עונות השנה המתחלפות. כל מקום על כדור הארץ מקבל קרינת שמש למשך זמן קצוב במשך היום, ובלילה אותה קרינה נעלמת. מאחר שרשת החשמל זקוקה לזרם מתמיד ויציב בכל שעות היממה, השימוש באנרגיה סולרית מותנה ביכולתנו לאגור אותה באופן שיאפשר לנו לנצל אותה בשעות הלילה ובימים מעוננים. הבעיה היא שהצורה המוכרת לנו לאגירת חשמל – סוללות ומצברים – אינה ישימה כאשר מדובר באספקת חשמל לעיר, לשכונה, למפעל וכדומה. יתר על כן, אגירת אנרגיה בסוללות ובמצברים מתאימה לטווח של שעות ואין ביכולתה לתת מענה לאגירה ארוכת טווח בין עונות השנה.

פתרון אפשרי לבעיית האגירה הוא המרת אנרגיית השמש למימן באמצעות תאים סולריים פוטו-אלקטרוכימיים. תאים אלה דומים לתאים סולריים פוטו-וולטאים הממירים את אנרגיית השמש לחשמל, אך במקום חשמל הם מייצרים מימן בעזרת הזרם החשמלי הנוצר בהם. זרם זה מתועל לפיצול פוטו-אלקטרוכימי של מולקולות מים למימן וחמצן.

יתרונו של המימן על פני החשמל הוא בכך שקל לאגור אותו ולהשתמש בו בעת הצורך לייצור חשמל או לצרכים אחרים כגון הנעה של כלי רכב חשמליים בעלי תא דלק המחליף את הסוללות הכבדות והיקרות ברכבים החשמליים של טסלה ודומיהם, חימום ביתי ותעשייתי, הפקת אמוניה וחומרי גלם אחרים. יתרונו של המימן כדלק הוא שהפקתו והשימוש בו אינם מלווים בפליטת גזי חממה או כל דבר אחר מלבד חמצן ומים.

עובדים על המחקר במעבדה. מימין לשמאל: יפעת פיקנר, ד”ר דניאל גרוה וד”ר דויד אליס

אחד האתגרים העיקריים בתאים פוטו-אלקטרוכימיים הוא פיתוח פוטו-אלקטרודות יעילות ויציבות באלקטרוליט בסיסי או חומצי, שהוא הסביבה הכימית שבה אפשר לפצל מים למימן וחמצן ביעילות גבוהה. הפוטו-אלקטרודות בולעות את הפוטונים המגיעים מהשמש, ובאנרגיה שהן מקבלות מהם הן מייצרות זרם של מטענים חשמליים (הנקראים אלקטרונים וחורים) המשמשים ליצירת מימן וחמצן, בהתאמה. סיליקון, החומר המשמש בתאים סולריים פוטו-וולטאיים, אינו יכול לשמש כפוטואלקטרודה שכזו מאחר והוא לא יציב באלקטרוליט.

זה הרקע לפיתוחם של תאים פוטו-אלקטרוכימיים המבוססים על פוטואלקטרודות מהמטייט (Hematite) – תחמוצת ברזל בעלת הרכב כימי דומה לחלודה. ההמטייט הוא חומר זול, יציב ובלתי רעיל בעל תכונות המתאימות לפיצול מים. אולם גם ההמטייט אינו חף מחסרונות. אחד מהם הוא הפער בין הניצולת האנרגטית התאורטית שלו לבין הניצולת המעשית שהושגה בהתקנים ממשיים. מסיבות שלא התחוורו עד היום, למרות עשרות שנים של מחקר, יעילות ההמרה של הפוטונים למימן בהתקנים מבוססי המטייט אינה מגיעה אפילו למחצית הגבול התיאורטי לחומר זה. לשם השוואה, יעילות ההמרה של הפוטונים בתאים סולריים מסיליקון קרובה מאוד לגבול התיאורטי.

ד”ר דניאל גרוה

במחקר הנוכחי, שממשיך ומרחיב ממצאים שהתפרסמו לאחרונה בכתב העת  Nature Materials, מציגה קבוצת המחקר בראשותו של פרופ’ רוטשילד הסבר לתעלומה: מסתבר שחלק ניכר מהפוטונים הנבלעים בהמטייט יוצרים מעברים אלקטרוניים ה”כבולים” לאתר אטומי ספציפי בגביש ואין באפשרותם להתקדם באופן שיוצר זרם חשמלי המשמש לפיצול המים למימן וחמצן.

וכעת, לחדשות הטובות: באמצעות שיטת אנליזה חדשה שפיתחה יפעת פיקנר בעזרת עמיתיה למחקר ד”ר דויד אליס מהטכניון וד”ר דניאל גרוה, מרצה בכיר באוניברסיטת בן-גוריון בנגב, נמדדו לראשונה הנתונים הבאים:

• היעילות הקוונטית ליצירת מטענים חשמליים ניידים בחומר כתוצאה מבליעת פוטונים באורכי גל שונים,
• יעילות ההפרדה של המטענים החשמליים המנוגדים, אלקטרונים וחורים, והפיכתם לזרם חשמלי המפצל את מולקולות המים למימן וחמצן.

זו הפעם הראשונה ששתי התכונות הללו, הראשונה אופטית במהותה והשנייה חשמלית, נמדדו בנפרד זו מזו, שכן מחקרים קודמים מדדו את האפקט הכולל של שתיהן יחד. ההפרדה ביניהן מאפשרת להתחקות טוב יותר אחר הגורמים המשפיעים על היעילות האנרגטית של חומרים להמרת אנרגיה סולרית למימן או לחשמל.

מעבר להישג היישומי מהווה המאמר פריצת דרך מדעית הסוללת דרך חדשה לחקר האינטראקציה בין אור לחומר בחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים (Correlated Electron Materials).

במחקר תמכו מוקד המחקר בנושא פוטוקטליזטורים ופוטואלקטרודות לייצור מימן בתוכנית לתחליפי נפט לתחבורה של הקרן הלאומית למדע (ISF), מרכז האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון (GTEP) ומכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה (RBNI).

למאמר בכתב העת  Energy & Environment Science לחצו כאן

אנליזה של הפוטונים בשכבת המטייט בעובי 32 ננומטר. ליצירת המימן תורמים רק הפוטונים שבירוק; הפוטונים המיוצגים בשאר הצבעים אינם תורמים לתהליך, וזאת כתוצאה מתהליכים אופטיים ופיזיקליים שונים המונעים יצירת מטענים ניידים בחומר.