מחקר מהפכני שנערך בארה"ב מצא דרך פשוטה, זולה ויעילה לייצור מימן על-ידי פירוק מים, המסתמכת על אנרגיה סולארית

דלק מימני בייצור סולארי

מדענים מאוניברסיטת קנטאקי ואוניברסיטת לואיוויל גילו כי ניתן לגרום לחומר מוליך למחצה זול לייצר מימן ממים בעזרת אור השמש.

בראש המחקר, שמומן על ידי מחלקת הארגיה של ארה"ב, עמד פרופ' מדהו מנון ור. מיכאל שייטז מהמרכז למדעים חישוביים של אוניברסיטת קנטאקי, ופרופסור מהנדרה סונקארה מהמכון לחקר אנרגיה מתחדשת של אוניברסיטת לואיוויל. ממצאי המחקר המלא פורסמו במגזין Physical Review.

החוקרים טוענים שתגליתם מהווה הישג מדעי חשוב, העשוי להיות בעל השלכות מרחיקות לכת לעתיד האנרגיה הסולארית. תוך ניצול תיאוריות חישובים החדשניות ביותר, הצוות המשולב הדגים כי לסגסוגת המורכבת משני אחוז של היסוד אנטימון (Sb) בגאליום-ניטריד (GaN) יש את התכונות החשמליות המתאימות המאפשרות לאנרגית האור הסולארי לפצל מולקולות מים למימן וחמצן, בתהליך הנקרא פיצול מים פוטו-אלקרטו-כימי (PEC). כשהסגסוגת משוקעת במים ונחשפת לאור השמש הקשר הכימי בין מולקולות החמצן והמימן נשבר, וכך ניתן לאגור את המימן.
"מחקרים קודמים על PEC התמקדו בחומרים מורכבים" מציין מנון. "אנחנו החלטנו ללכת נגד הזרם ולהתחיל על חומרים הקלים לייצור בהתחלה, למרות שלא היה להם את ארגון האלקטרונים הנכונים על מנת לעמוד בקריטריונים של PEC. המטרה שלנו הייתה לראות האם שינוי תכונות קל בארגון האלקטרונים בחומרים הללו יציג את התוצאות הרצויות".

גאליום-ניטריד הינו מוליך למחצה אשר נמצא בשימוש נרחב משנות התשעים לייצור לדים (LED). אנטימון – הוא יסוד מתכתי רעיל שבשנים האחרונות קיימת דרישה הולכת וגוברת עבורו לצורך יישומים במיקרו-אלקטרוניקה. סגסוגת גאליום-ניטריד ואנטימון (GaN-Sb) היא למעשה החומר הפשוט והקל לייצור הראשון שעשוי להיות שמיש לפיצול מים בטכניקת PEC. הסגסוגת משמשת כזרז לתגובת ה-PEC, כלומר, היא אינה מתכלה וניתן לעשות בה אינסוף שימושים חוזרים. החוקרים כעת עומלים על ייצור הסגסוגת ובחינת יכולותיה בהמרת אנרגיה סולארית למימן.

מימן נחשב מזה שנים למרכיב מפתח במעבר לשימוש במקורות אנרגיה נקייה. ניתן להשתמש בו בתאי דלק לייצור חשמל, בבעירה על מנת לייצר חום, ולהניע רכבים. כאשר הוא נשרף, מימן מתרכב עם חמצן מים ונוצרים אדי מים בלבד כתוצר לוואי. בנוסף, למימן טווח יישומים רחב במדע ובתעשייה.
אולם כיוון שמימן טהור אינו נמצא בשפע על פני כדור הארץ, יש לייצרו על ידי פירוקו מתרכובות שונות. על כן, מימן אינו נחשב למקור אנרגיה אלא ל"נשא אנרגיה". כיום, דרושה כמות גדולה של חשמל על מנת לפצל מים. כתוצאה מכך, רוב המימן המיוצר היום הוא תוצר של מקורות אנרגיה לא מתחדשים דוגמת פחם וגז טבעי. סונקארה טוען שלסגסוגת החדשה יש את הפוטנציאל לרתום אנרגיה סולארית לצורך ייצור מימן, ללא פליטות ועם כדאיות כלכלית: "כיום ייצור מימן כורך בחובו פליטה של כמויות פחמן דו חמצני גדולות. אני מאמין כי ברגע שהסגסוגת שלנו תהיה נגישה לכלל, היא תנוצל לייצור מקור אנרגיה חסר פליטות להנעת מכוניות, חימום בתים וייצור חשמל".

מנון אומר שהמחקר אמור למשוך את תשומת ליבם של מדענים מדיסציפלינות שונות ברחבי העולם: "פוטוקטליזה הוא הנושא הלוהט ביותר במדע עכשיו. אנחנו מצפים שהמחקר הזה ימשוך חוקרים מתחים הכימיה, הפיזיקה וההנדסה"