תגובה קטנה – יעילות עצומה

הצצה ראשונה לתגובה הזערורית שמגבילה את היעילות של הפקת דלק מימן

sciencedaily.com / מאי 2021

אחד האתגרים של מעבר לכלכלת מימן נקייה הוא הצורך בשיטות זולות ויעילות יותר להפקת חשמל ממקורות נקיים, חשמל שישמש לפירוק של מים למימן ולחמצן.

אבל צעד מפתח בתהליך, המכונה תגובת התפתחות החמצן (OER) מתברר כצוואר-בקבוק. כיום יעילותו עומדת על כ-75 אחוז בלבד, וזרזי המתכות היקרות המשמשים להאצת הריאקציה, כמו פלטינה ואירידיום, הם נדירים וכאמור, יקרים.

לאחרונה, צוות בראשות מדענים מאוניברסיטת סטנפורד והמעבדה הלאומית לחקר ההאצה SLAC של משרד האנרגיה האמריקאי פיתחו סדרה של כלים מתקדמים לפרוץ את צוואר הבקבוק הזה ולשפר תהליכי אנרגיה אחרים. צוות המחקר תיאר את ממצאיו במאמר בכתב העת Nature  באפריל השנה.

בעבודה, שהשתרעה מסטנפורד וסלאק, המעבדה הלאומית בברקלי ואוניברסיטת וורוויק שבאנגליה, הצליחו לצפות באופן ממוקד בננו-חלקיקים נפרדים של זרזים – שצורתם כצלחות וגודלם קטן פי 200 מזה של תא דם אדום – וראו אותם מאיצים את ייצור החמצן בתוך תאים אלקטרו-כימיים שיוצרו במיוחד לניסוי, כולל אחד שנכנס בטיפת מים.

הם גילו שרוב פעולת הזרז מתרחשת בקצוות החלקיקים ואף צפו באינטראקציות הכימיות בין החלקיק והאלקטרוליט המקיף אותו בקנה מידה של אחד חלקי ביליונית המטר תוך שהם מגבירים את המתח החשמלי כדי להניע את התגובה.

לאחר שחיברו את תצפיותיהם עם פעולות חישוביות וסימולציות קודמות שבוצעו בשיתוף מכון SUNCAT ובסטנפורד, הם הצליחו לבודד את אחד השלבים בתגובה וכך לזהות את השלב שמגביל את מהירות התקדמותה.

"מכלול המתודות האלה יכול לענות לנו על השאלות איפה, מה ומדוע האופן שבו החומרים האלקטרו-קטליטיים האלה יגיבו במציאות", אומר טיילר מפורד, חבר סגל בסטנפורד ובמכון סטנפורד למדעי החומרים והאנרגיה, שעמד בראש המחקר. "עכשיו שברור לנו איך להשתמש בפלטפורמה הזו, מגוון היישומים האפשריים רחב מאוד".

כדי לייצר דלק מימן ממים בקנה מידה נרחב מספיק כדי להניע כלכלה ירוקה, המדענים יצטרכו למצוא דרך שהחצי השני של התגובה לפירוק המים – זה שמייצר חמצן – יהיה יעיל הרבה יותר

Nano Scale look at Hydrogen

אילוסטרציה של בועות חמצן שעולות מהקצוות של חלקיק קטליזטור שנראה כפלטה בת שש פאות, קטן פי מאתיים מתא דם אדום, בעודו מבצע תגובה הקרויה OER, שמפרקת מולקולות מים ומייצרת גז חמצן. הזרוע הקטנה משמאל היא ממיקרוסקופ כוח אטומי

התרחבות לכלכלת מימן

הרעיון של שימוש בחשמל לפירוק מים לגורמיו (חמצן ומימן) נולד כבר בשנת 1800, אז גילו שני חוקרים בריטים שבאפשרותם להשתמש בזרם החשמלי שייצרה הסוללה החשמלית של אלסנדרו וולטה כדי להניע את התגובה הנדרשת.

תהליך זה, המכונה אלקטרוליזה, פועל בעצם כמו סוללה – רק הפוך: במקום לייצר חשמל, הוא משתמש בזרם החשמלי לפירוק המים לחמצן ומימן. התגובות הכימיות היוצרות גזי מימן וחמצן מתרחשות באלקטרודות שונות המשתמשות במתכות יקרות שונות כזרזים.

גז מימן הוא בסיס כימי חשוב לייצור אמוניה ולזיקוק פלדה, והוא מסומן יותר ויותר כדלק נקי לתחבורה כבדה ולאחסון ארוך טווח של אנרגיה. אבל כיום, יותר מ-95 אחוזים מהמימן המיוצר מגיעים מגז טבעי באמצעות ריאקציות כימיות הפולטות גם פחמן דו-חמצני כתוצר-לוואי. ייצור מימן באמצעות אלקטרוליזת מים, שתקבל את החשמל שלה מהשמש, הרוח וכולי יפחית במידה ניכרת את פליטות הפחמן במספר תעשיות חשובות.

אולם כדי לייצר דלק מימן ממים בקנה מידה נרחב מספיק כדי להניע כלכלה ירוקה, המדענים יצטרכו למצוא דרך שהחצי השני של התגובה לפירוק המים – זה שמייצר חמצן – יהיה יעיל הרבה יותר, ולמצוא שיטות שיאפשרו עבודה עם זרזים המבוססים על מתכות זולות ונפוצות יותר מאלה שמשתמשים בהן כיום.

"אין מספיק מתכות יקרות בעולם בשביל לייצר חשמל בקנה המידה הדרוש והעלות שלהן כה גבוהה שהמימן שהן מייצרות לעולם לא יוכל להתחרות במימן המופק מדלקים פוסיליים".

שיפור התהליך ידרוש הבנה טובה בהרבה של האופן שבו פועלים קטליזטורים לפירוק מים, במידה מפורטת מספיק כדי שמדענים יוכלו לחזות מה ניתן לעשות כדי לשפר אותם. עד כה, רוב השיטות הטובות ביותר לעריכת התצפיות הללו לא פעלו בסביבה עתירת נוזלים כמו כור אלקטרוליטי.

במחקר זה מצאו המדענים מספר דרכים לעקוף את המגבלות הללו ולקבל תמונה חדה מאי-פעם.

"הטכניקה שלנו מאפשרת להתמקד באופן פרטני ולחקור אזורי תגובתיות שהם זערוריים במידה חריגה. אנחנו בודקים ייצור חמצן בקנה מידה קטן פי יותר ממאה מיליון מטכניקות אחרות".

שיטות חדשות לתצפית על הקטליזטורים

הזרז שאותו בחרו המדענים לחקור היה קובלט אוקסי-הידרוקסיד, שהגיע בצורת גבישים שטוחים בעלי שש צלעות המכונים ננו-פלטלטים. הקצוות היו חדים ודקים במיוחד, כך שניתן יהיה להבדיל בין תגובה שהתרחשה בקצוות או בפני השטח.

לפני כעשור המציא צוות המחקר של פטריק אונווין באוניברסיטת וורוויק טכניקה חדשנית להכנסת תא אלקטרוכימי לתוך טיפת מים ננוסקופית שאותה טפטף מפיפטה. כשהטיפה באה במגע עם משטח כלשהו, המכשיר ביצע הדמיה של הטופוגרפיה של פני אותו שטח וזרמים אלקטרוניים ויוניים ברזולוציה גבוהה מאוד.

לצורך המחקר התאים הצוות של אונווין את המכשיר הזערורי הזה לעבוד בסביבת OER (שבה נבחנת התפתחות החמצן). החוקרים הזיזו את המכשיר על פני השטח של חלקיק זרז בודד בעת שהתגובה בוצעה.

"הטכניקה שלנו מאפשרת להתמקד באופן פרטני ולחקור אזורי תגובתיות שהם זערוריים במידה חריגה", אמרה קאנג, שהובילה את הניסויים בוורוויק. "אנחנו בודקים ייצור חמצן בקנה מידה קטן פי יותר ממאה מיליון מטכניקות אחרות".

הם גילו, שכמו ברוב המקרים של חומרים מזרזים, רק הקצוות קידמו באופן פעיל את התגובה, דבר שמרמז שיש למקסם בזרזים עתידיים את ההיבט הדק והחד הזה.

במקביל השתמש אנדרו אקבאשב, חוקר בסטנפורד וב-MIMES מיקרוסקופ אלקטרוכימי-אטומי כדי לקבוע ולדמות איך בדיוק משנה הזרז את גודלו וצורתו במהלך הניסוי וגילה שהתגובות שעוד בהתחלה הביאו אותו למצב פעילות היו שונות מאד מתחזיות המדענים. במקום שפרוטונים ייפרדו מהזרז, מה שיניע את התהליך, יוני הידרוקסיד החדירו את עצמם לזרז תחילה ויצרו מים בתוך החלקיק, מה שגרם לו להתנפח. עם התמשכות תהליך ההפעלה, המים הללו בנוסף לפרוטונים שנותרו נדחקו החוצה.

בסדרת ניסויים שלישית, הצוות עבד עם דייויד שפירו ויונג-סאנג יו ב"מקור האור המתקדם" של מעבדת ברקלי, ויחד עם חברה ממדינת וושינגטון, Hummingbird Scientific, פיתחו תא אלקטרוכימי שניתן לשלבו במיקרוסקופ סורק רנטגן. מכשיר זה איפשר להם למפות את מצב החמצון של זרז פעיל – מצב כימי שקשור לפעילות קטליטית – באזורים קטנים עד כדי קוטר של 50 ננומטר.

"עכשיו נוכל ליישם את הטכניקות שפיתחנו על חומרים ותהליכים אלקטרוכימיים אחרים. היינו רוצים גם לחקור תגובות אחרות הקשורות לאנרגיה, כמו טעינה מהירה באלקטרודות של סוללה, הפחתת פליטות פחמן דו-חמצני ללכידת פחמן, והפחתת חמצן, שמאפשרת לנו להשתמש במימן בתאי דלק".