תקן חדש לטכנולוגיית מימן ירוק שנקבע על ידי מהנדסי אוניברסיטת רייס.
מהנדסי אוניברסיטת רייס יכולים לפנות אור השמש למימן עם יעילות שוברת שיאים הודות למכשיר המשלב את הדור הבא מוליכים למחצה הליד פרוסקיט* עם אלקטרו-זרזים במכשיר יחיד, עמיד, חסכוני וניתן להרחבה.
לפי מחקר פורסם ב-Nature Communications, המכשיר השיג יעילות המרת שמש למימן של 20.8%.
הטכנולוגיה החדשה היא צעד משמעותי קדימה עבור אנרגיה נקייה ויכולה לשמש פלטפורמה למגוון רחב של תגובות כימיות המשתמשות בחשמל שנקטף סולארי כדי להמיר חומרי הזנה לתוך דלקים.
המעבדה של מהנדס כימי וביו-מולקולרי אדיטיה מוהיט בנה את הפוטו-ריאקטור המשולב באמצעות מחסום אנטי קורוזיה המבודד את המוליך למחצה ממים מבלי להפריע להעברת אלקטרונים.
"שימוש באור השמש כמקור אנרגיה לייצור כימיקלים הוא אחד המכשולים הגדולים ביותר למשק אנרגיה נקייה", אמר אוסטין פהר, דוקטורנט להנדסה כימית וביו-מולקולרית ואחד הכותבים הראשיים של המחקר.
"המטרה שלנו היא לבנות פלטפורמות כדאיות מבחינה כלכלית שיכולות לייצר דלקים שמקורם בשמש. כאן, תכננו מערכת שסופגת אור ומשלימה אלקטרוכימיה כימיה מפיצול מים על פני השטח שלו."
המכשיר ידוע כתא פוטו-אלקטרוכימי מכיוון שקליטת האור, הפיכתו לחשמל והשימוש בחשמל להפעלת תגובה כימית מתרחשים כולם באותו מכשיר. עד כה, השימוש בטכנולוגיה פוטו-אלקטרוכימית לייצור מימן ירוק נפגע על ידי יעילות נמוכה והעלות הגבוהה של מוליכים למחצה.
"כל המכשירים מהסוג הזה מייצרים מימן ירוק באמצעות אור שמש ומים בלבד, אבל שלנו הוא יוצא דופן כי יש לו יעילות שוברת שיאים והוא משתמש במוליך למחצה שהוא זול מאוד", אמר פהר.
אל האני מעבדת מוהיט ומשתפי הפעולה שלו יצרו את המכשיר על ידי הפיכתם תא סולארי תחרותי במיוחד לתוך כור שיכול להשתמש באנרגיה שנאספה כדי לפצל מים לחמצן ומימן.
האתגר שהיה עליהם להתגבר היה שפרוסקיטים הלידים* אינם יציבים ביותר במים וציפויים ששימשו לבידוד המוליכים למחצה בסופו של דבר שיבשו את תפקודם או פגעו בהם.
"במהלך השנתיים האחרונות, הלכנו הלוך ושוב וניסינו חומרים וטכניקות שונות," אמר מייקל וונג, מהנדס כימי רייס ומחבר שותף במחקר.
לאחר שניסויים ממושכים לא הצליחו להניב את התוצאה הרצויה, החוקרים נתקלו סוף סוף בפתרון מנצח.
"התובנה העיקרית שלנו הייתה שצריך שתי שכבות למחסום, אחת כדי לחסום את המים ואחת כדי ליצור מגע חשמלי טוב בין שכבות הפרובסקיט לשכבת המגן", אמר פהר.
"התוצאות שלנו הן היעילות הגבוהה ביותר עבור תאים פוטו-אלקטרוכימיים ללא ריכוז שמש, והטובות ביותר עבור אלה המשתמשים במוליכים למחצה הליד פרוסקיט.
"זהו תחום ראשון לתחום שנשלט היסטורית על ידי מוליכים למחצה יקרים מאוד, ועשוי לייצג נתיב להיתכנות מסחרית עבור סוג זה של מכשירים בפעם הראשונה אי פעם", אמר פהר.
החוקרים הראו שעיצוב המחסום שלהם עבד עבור תגובות שונות ועם מוליכים למחצה שונים, מה שהפך אותו ליישום במערכות רבות.
"אנו מקווים שמערכות כאלה ישמשו פלטפורמה להנעת מגוון רחב של אלקטרונים לתגובות יוצרות דלק באמצעות חומרי הזנה בשפע עם אור שמש בלבד כקלט האנרגיה", אמר מוהיט.
"עם שיפורים נוספים ביציבות ובקנה מידה, הטכנולוגיה הזו יכולה לפתוח את כלכלת המימן ולשנות את הדרך שבה בני אדם מייצרים דברים מדלק מאובנים לדלק סולארי", הוסיף פהר.
פרוסקיט – למינרל זה מוליכות גבוהה יותר מסיליקון והוא פחות שביר. זה גם הרבה יותר בשפע על פני כדור הארץ. במהלך העשור האחרון, מאמצים ניכרים הובילו להתפתחויות מרהיבות, אך אימוצו באופטואלקטרוניקה עתידית נותר אתגר.
תאים פוטו-וולטאיים של פרוסקיט עדיין אינם יציבים ועוברים הזדקנות מוקדמת. מה גם שהם מכילים עופרת, חומר שמזיק מאוד לסביבה ולבריאות האדם. מסיבות אלו לא ניתן לשווק את הפאנלים.
פרוסקיטים היברידיים הלוגנים הם מחלקה של חומרים מוליכים למחצה שהיו מוקד מחקר מסוים בשנים האחרונות בשל תכונותיהם הפוטואלקטריות המדהימות והיישומים שלהם במערכות פוטו-וולטאיות.
