מימן הוא שחקן מפתח במאמץ להפחתת הפחמן של החברה שלנו, אבל רוב הייצור שלו מסתמך כיום על תהליכים שמקורם בדלק מאובנים כמו רפורמת מתאן, אשר פולטים פחמן דו חמצני משמעותי. הפיתוח של מימן ירוק באמצעות אלקטרוליזה של מים, במיוחד באמצעות טכנולוגיות מתקדמות כמו פרוטונים-חילופי-ממברנה (PEM), מעוכב על ידי הצורך בזרזים נדירים כמו אירידיום. עם זאת, פריצת דרך חדשה של חוקרי ICFO המשתמשים בזרז נטול אירידיום מראה הבטחה לייצור מימן ירוק בר קיימא ויעיל בקנה מידה תעשייתי, שעלול לחולל מהפכה בתחום. קרדיט: twoday.co.il.com
חוקרים פיתחו זרז פורץ דרך נטול אירידיום לאלקטרוליזה של מים, מה שסלל את הדרך לייצור מימן ירוק בר-קיימא ובקנה מידה גדול.
מימן מציע פוטנציאל משמעותי כנושא כימי ואנרגיה לשחרור פחמן בחברה. בניגוד לדלקים מסורתיים, שימוש במימן אינו מייצר פחמן דו חמצני. עם זאת, רוב המימן המופק כיום נובע מהמתאן, דלק מאובנים, באמצעות תהליך שנקרא רפורמת מתאן, אשר למרבה הצער פולט כמות ניכרת של פחמן דו חמצני. כתוצאה מכך, פיתוח חלופות ניתנות להרחבה להפקת מימן ירוק הוא חיוני.
אלקטרוליזה של מים מציעה נתיב לייצור מימן ירוק שניתן להפעיל על ידי אנרגיה מתחדשת וחשמל נקי. תהליך זה זקוק לזרזים של קתודה ואנודה כדי להאיץ את התגובות הלא יעילות אחרת של פיצול מים וריקומבינציה למימן וחמצן, בהתאמה. מגילוי מוקדם שלו בסוף ה-18ה' המאה, האלקטרוליזה של המים הבשילה לטכנולוגיות שונות. אחד המיישומים המבטיחים ביותר של אלקטרוליזה במים הוא ממברנת חילופי פרוטונים (PEM), שיכולה לייצר מימן ירוק על ידי שילוב של קצבים גבוהים ויעילות אנרגטית גבוהה.
אינפוגרף שמסביר את הרעיון של אלקטרוליזר מים PEM, איך הוא עובד, הטכניקה החדשה שיישם הצוות והתוצאות שהם השיגו. קרדיט: ICFO
עד כה, אלקטרוליזה של מים, ובפרט PEM, דרשה זרזים המבוססים על יסודות נדירים ונדירים, כמו פלטינה ואירידיום, בין היתר. רק תרכובות בודדות משלבות את הפעילות והיציבות הנדרשות בסביבה הכימית הקשה שנכפתה על ידי תגובה זו. זה מאתגר במיוחד במקרה של זרזי האנודה, שצריכים לפעול בסביבות חומציות קורוזיביות במיוחד – תנאים שבהם רק תחמוצות אירידיום הראו פעולה יציבה בתנאים התעשייתיים הנדרשים. אבל אירידיום הוא אחד היסודות הנדירים ביותר על פני כדור הארץ.
בחיפוש אחר פתרונות אפשריים, צוות מדענים עשה לאחרונה צעד חשוב למציאת חלופות לזרזים של אירידיום. צוות רב תחומי זה הצליח לפתח דרך חדשה להקנות פעילות ויציבות לזרז נטול אירידיום על ידי רתימת תכונות המים שלא נחקרו עד כה. הזרז החדש משיג, לראשונה, יציבות באלקטרוליזה של מים PEM בתנאים תעשייתיים ללא שימוש באירידיום.
פריצת דרך זו, שפורסמה ב מַדָע, בוצע על ידי חוקרי ה-ICFO רנית רם, ד"ר לו שיה, ד"ר אנקו גוהא, ד"ר ויקטוריה גולובאנובה, ד"ר מרינוס דימיטרופולוס, אפארנה מ. דאס ואדריאן פינילה-סנצ'ז, ובהובלת פרופסור ב-ICFO ד"ר F. Pelayo García de Arquer; וכולל שיתופי פעולה חשובים מהמכון למחקר כימי של קטלוניה (ICIQ), המכון הקטלאני למדע וטכנולוגיה (ICN2), המרכז הלאומי הצרפתי למחקר מדעי (CNRS), מקור אור יהלוםוהמכון לחומרים מתקדמים (INAM).
התמודדות עם החומציות
שילוב פעילות ויציבות בסביבה חומצית מאוד הוא מאתגר. מתכות מהזרז נוטות להתמוסס, מכיוון שרוב החומרים אינם יציבים מבחינה תרמודינמית ב-pH נמוך ובפוטנציאל מיושם, בסביבת מים. תחמוצות אירידיום משלבות פעילות ויציבות בתנאים קשים אלו, וזו הסיבה שהן הבחירה הרווחת לאנודות באלקטרוליזה של מים לחילופי פרוטונים.
החיפוש אחר חלופות לאירידיום הוא לא רק אתגר יישומי חשוב, אלא אתגר בסיסי. מחקר אינטנסיבי בחיפוש אחר זרזים שאינם אירידיום הוביל לתובנות חדשות על מנגנוני התגובה וההשפלה, במיוחד עם שימוש בבדיקות שיוכלו לחקור את הזרזים במהלך הפעולה בשילוב עם מודלים חישוביים. אלה הובילו לתוצאות מבטיחות תוך שימוש בחומרים המבוססים על תחמוצת מנגן וקובלט, וניצול מבנים שונים, הרכב וסימובים, כדי לשנות את התכונות הפיזיקליות-כימיות של הזרזים.
למרות התובנה, רוב המחקרים הללו בוצעו ב בסיסי כורים שאינם ניתנים להרחבה ופועלים ב רך יותר תנאים רחוקים מהיישום הסופי, במיוחד מבחינת צפיפות הזרם. הפגנת פעילות ויציבות עם זרזים שאינם אירידיום בכורי PEM ובתנאי הפעלה רלוונטיים ל-PEM (צפיפות זרם גבוהה) נותרה עד היום חמקמקה.
משמאל לימין: Lu Xia, Ranit Ram ו-Anku Guha, במעבדה עם המכשיר. קרדיט: ICFO
כדי להתגבר על זה, ה-ICFO, ICIQ, ICN2חוקרי , CNRS, Diamond Light Source ו-INAM המציאו גישה חדשה בתכנון של זרזים שאינם אירידיום, תוך השגת פעילות ויציבות ב חוּמצָה כְּלֵי תִקְשׁוֹרֶת. האסטרטגיה שלהם, המבוססת על קובלט (מאוד בשפע וזול), הייתה שונה בתכלית מהדרכים המקובלות.
"עיצוב זרז קונבנציונלי מתמקד בדרך כלל בשינוי ההרכב או המבנה של החומרים המשמשים. כאן, נקטנו בגישה אחרת. תכננו חומר חדש שמשלב באופן פעיל את מרכיבי התגובה (מים ושבריו) במבנה שלו. מצאנו שניתן להתאים את השילוב של מים ושברי מים במבנה הזרז כדי להגן על הזרז בתנאים מאתגרים אלה, ובכך לאפשר פעולה יציבה בצפיפות הזרם הגבוהה הרלוונטית ליישומים תעשייתיים", מסביר פרופסור ב-ICFO, García de ארקר. בעזרת הטכניקה שלהם, המורכבת מתהליך דלמינציה המחליף חלק מהחומר במים, הזרז המתקבל מציג כחלופה בת קיימא לזרזים מבוססי אירידיום.
גישה חדשה: תהליך הדלמינציה
כדי להשיג את הזרז, הצוות בחן תחמוצת קובלט מסוימת: תחמוצת קובלט-טונגסטן (CoWO4), או בקיצור CWO. על חומר המוצא הזה, הם תכננו תהליך דלמינציה באמצעות פתרונות מים בסיסיים לפיהם תחמוצות טונגסטן (WO42-) יוסרו מהסריג ויחליפו במים (ח2O) והידרוקסיל (OH–) קבוצות בסביבה בסיסית. תהליך זה יכול להיות מכוון כך שיכלול כמויות שונות של H2O ו-OH– לתוך הזרז, אשר לאחר מכן ישולבו על גבי האלקטרודות של האנודה.
הצוות שילב שונה פוטוןספקטרוסקופיות מבוססות כדי להבין את סוג החומר החדש הזה במהלך הפעולה. באמצעות ראמאן אינפרא אדום וקרני רנטגן, בין היתר, הם הצליחו להעריך את נוכחותו של לכוד קבוצות מים והידרוקסיל, ולהשיג תובנות על תפקידן בהענקת פעילות ויציבות לפיצול מים בחומצה. "היכולת לזהות את המים הכלואים הייתה ממש מאתגרת עבורנו", ממשיך המחבר המוביל ד"ר אנקו גוהא. "באמצעות ספקטרוסקופיה של ראמאן וטכניקות אחרות המבוססות על אור ראינו סוף סוף שיש מים בדגימה. אבל זה לא היו מים "חופשיים", הם היו מים סגורים"; משהו שהשפיע עמוקות על הביצועים.
תמונה משפחתית של ICFO: משמאל לימין: פ. פלאיו גרסיה דה ארקר, מרינוס דימיטרופולוס, לו שיה, אפרנה מ. דאס, ויקטוריה הולובנובה, אנקו גוהא ורניט רם. קרדיט: ICFO
מתוך תובנות אלו, הם החלו לעבוד בשיתוף פעולה הדוק עם משתפי פעולה ומומחים בדוגמנות זרז. "הדוגמנות של חומרים מופעלים מאתגרת מכיוון שמתרחשים סידורים מבניים גדולים. במקרה זה, הדלמינציה המופעלת בטיפול ההפעלה מגדילה את מספר האתרים הפעילים ומשנה את מנגנון התגובה והופכת את החומר לפעיל יותר. הבנת החומרים הללו דורשת מיפוי מפורט בין תצפיות ניסויות והדמיות", אומרת פרופ' נוריה לופז מ-ICIQ. החישובים שלהם, בהובלת מחבר שותף מוביל, ד"ר הינד בנזידי, היו חיוניים כדי להבין כיצד החומרים המפורקים, מוגנים על ידי מים, לא רק מוגנים תרמודינמית מפני פירוק בסביבות חומציות מאוד, אלא גם פעילים.
אבל, איך זה אפשרי? בעיקרון, הסרת תחמוצת טונגסטן משאירה חור מאחור, בדיוק היכן שהיה ממוקם קודם לכן. כאן מתרחש ה"קסם": מים והידרוקסיד, שנמצאים במידה רבה בתווך, ממלאים את החסר באופן ספונטני. זה בתורו מגן על המדגם, שכן הוא הופך את פירוק הקובלט לתהליך שלילי, המחזיק למעשה את רכיבי הזרז יחד.
לאחר מכן, הם הרכיבו את הזרז המפורק לכור PEM. הביצועים הראשוניים היו באמת יוצאי דופן, והשיגו פעילות ויציבות גבוהות יותר מכל אמנות קודמת. "הגדלנו פי חמישה מהצפיפות הנוכחית, והגענו ל-1 A/cm2 – נקודת ציון מאתגרת מאוד בתחום. אבל, המפתח הוא, שהגענו גם ליותר מ-600 שעות של יציבות בצפיפות כה גבוהה. אז, הגענו לצפיפות הזרם הגבוהה ביותר וגם ליציבות הגבוהה ביותר עבור זרזים שאינם אירידיום", משתף המחבר המוביל ד"ר לו שיה.
"בתחילת הפרויקט הסתקרנו מה התפקיד הפוטנציאלי של המים עצמם בתור פיל בחדר באלקטרוליזה של מים", מסבירה רנית רם, המחברת הראשונה של המחקר ומסיימת הרעיון הראשוני. "אף אחד לפני כן לא התאים באופן פעיל מים ומים משטחים בצורה זו." בסופו של דבר, התברר שזה היה מחליף משחק אמיתי.
למרות שזמן היציבות עדיין רחוק מה-PEMs התעשייתי הנוכחי, זה מייצג צעד גדול לקראת הפיכתם ללא תלות באירידיום או אלמנטים דומים. בפרט, עבודתם מביאה תובנות חדשות לתכנון PEMs אלקטרוליזה של מים, שכן היא מדגישה את הפוטנציאל לטפל בהנדסת זרז מנקודת מבט אחרת; על ידי ניצול פעיל של תכונות המים.
לקראת התיעוש
הצוות ראה פוטנציאל כזה בטכניקה שהם כבר הגישו בקשה לפטנט, במטרה להגדיל אותו לרמות הייצור בתעשייה. עם זאת, הם מודעים לחוסר הטריוויאליות של נקיטת הצעד הזה, כפי שפרופ' גרסיה דה ארקר שם לב: "קובלט, בהיותו שופע יותר מאירידיום, הוא עדיין חומר מטריד מאוד בהתחשב מהיכן הוא מופק. לכן אנו עובדים על חלופות המבוססות על מנגן, ניקל וחומרים רבים אחרים. נעבור על כל הטבלה המחזורית, במידת הצורך. ואנחנו הולכים לחקור ולנסות איתם את האסטרטגיה החדשה הזו לעיצוב זרזים שעליה דיווחנו במחקר שלנו."
למרות האתגרים החדשים שיצוצו בוודאות, הצוות משוכנע בפוטנציאל של תהליך הדה-למינציה הזה וכולם נחושים לרדוף אחרי מטרה זו. רם, במיוחד, משתף: "למעשה תמיד רציתי לקדם אנרגיות מתחדשות כי זה יעזור לנו כקהילה אנושית להילחם בשינויי האקלים. אני מאמין שהלימודים שלנו תרמו צעד אחד קטן בכיוון הנכון".
מימון: הנציבות האירופית, קרן "la Caixa", Generalitat de Catalunya, משרד המדע והחדשנות, Fundación BBVA
