רואן חלבי מפיקה מימן באמצעות אנרגיית השמש

מפיקים מימן באמצעות אנרגיית השמש
סוף לזיהום בייצור מימן? חוקרים בטכניון פיתחו מערכת ראשונה מסוגה בעולם לפיצול מים למימן וחמצן בעזרת אנרגיית השמש - בשני אתרים נפרדים

המחקר התפרסם לאחרונה בכתב העת Joule מקבוצת Cell.

בטכניון הסבירו כי המערכת החדשנית מכילה התקן סולארי דו-שכבתי (Tandem cell), המאפשר ניצול יעיל יותר של ספקטרום האור: חלק מקרינת השמש נבלע בשכבה העליונה, העשויה תחמוצת ברזל שקופה למחצה; והקרינה שאינה נבלעת בשכבה זו עוברת דרכה ונבלעת בהמשך על ידי תא פוטו-וולטאי. יחד מספקות שתי השכבות למערכת את האנרגיה הדרושה לפירוק המים.

מדובר במערכת, שהיא למעשה המשך לפריצת דרך תאורטית של צוות המחקר מהטכניון, שהוצגה במאמר שהתפרסם ב-Nature Materials במרץ 2017. באותו מאמר, הציגו החוקרים שינוי פרדיגמטי בהפקת מימן: במקום תא הפקה אחד שבו מתפרקים המים למימן ולחמצן, פיתחו החוקרים מערכת שבה נוצרים המימן והחמצן בשני תאים שונים לחלוטין. בטכניון הסבירו כי פיתוח זה חשוב בין השאר משום שערבוב בין החמצן למימן יוצר אינטראקציה נפיצה ומסוכנת. את הוכחת ההיתכנות הציגו החוקרים במערכת מעבדתית המופעלת בעזרת מקור חשמל קונבנציונלי.

כעת, במחקר הנוכחי שהתפרסם ב-Joule, מימשו החוקרים את התיאוריה בפיתוח יישומי - מערכת אב-טיפוס פוטו-אלקטרוכימית המייצרת מימן וחמצן בשני תאים נפרדים באמצעות אור שמש בלבד. במסגרת הניסוי נערכו כ-80 שעות עבודה (10 ימים של כ-8 שעות), שהדגימו את יעילות המערכת באור שמש טבעי. הניסוי נערך בפקולטה להנדסה כימית בטכניון.

מימן הוא חומר מבוקש מאוד בתחומים רבים בחיינו. רוב המימן המיוצר כיום מְשַמֵש לייצור אמוניה לייצור דשנים החיוניים לחקלאות המודרנית. בנוסף, מימן הוא אחד המתחרים המובילים בתחום הדלקים האלטרנטיביים, במיוחד בהקשר של הנעת כלי רכב. כיום מופק המימן בעולם, רובו ככולו, מגז טבעי, בתהליך הפולט פחמן דו-חמצני. שיטת הפקה חלופית היא אלקטרוליזה - פירוק מים לחמצן ולמימן.

בשנים האחרונות, עם המעבר החיוני לאנרגיות חלופיות, ברור כי יש לשכלל את תהליכי האלקטרוליזה כך שיתאימו למקורות אנרגיה אלה. על רקע זה התפתח התהליך הפוטו-אלקטרוכימי, המפרק את המים ישירות על ידי קרינת השמש. אולם, גם כאן ישנם אתגרים טכנולוגיים שונים. למשל, ייצור המימן בדרך המקובלת באלקטרוליזה – פירוק המים למימן וחמצן באותו תא הפקה – כרוך בסיכון משום שהמפגש בין מימן לחמצן מוביל לפיצוץ. יתר על כן, בשדות סולאריים רחבי ידיים קשה מאוד לייצר מימן בתצורה זו. מכאן חשיבותה של פריצת הדרך הנוכחית המוצגת ב-Joule.

את המחקר הובילה הדוקטורנטית אביגיל לנדמן מתוכנית האנרגיה ע"ש גרנד, יחד עם המסטרנטית רואן חלבי מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים. המחקר נערך בהנחייתם המשותפת של פרופ' גידי גרדר מהפקולטה להנדסה כימית ופרופ' אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים, ושותפים בו פרופ' אדליו מנדס וד"ר פאולה דיאז מאוניברסיטת פורטו בפורטוגל.

למאמר המלא 

צילום: דוברות הטכניון