אשפה לאוצר – כימאים הופכים פסולת מתכת לזרז מימן

חוקרים פיתחו שיטה להמרת פסולת מתכת לזרז יעיל להפקת מימן ממים, פריצת דרך שיכולה לשפר את קיימות ייצור המימן.

צוות חוקרים מבית הספר לכימיה של אוניברסיטת נוטינגהאם והפקולטה להנדסה מצא כי פני השטח של ספייס, תוצר לוואי של תעשיית עיבוד מתכת, הם בעלי מרקם עם שלבים וחריצים זעירים על גבי ננומטרי רָמָה. מרקמים אלה יכולים לעגן אטומים של פלטינה או קובלט, מה שמוביל לזרז חשמלי יעיל שיכול לפצל מים למימן וחמצן. המחקר פורסם ב- Journal of Material Chemistry א של החברה המלכותית לכימיה.

מימן הוא דלק נקי שיכול לשמש לייצור חום או הפעלת כלי רכב, ותוצר הלוואי היחיד של הבעירה שלו הוא אדי מים. עם זאת, רוב שיטות ייצור המימן מסתמכות על חומרי דלק מאובנים. אלקטרוליזה של מים היא אחד המסלולים הירוקים המבטיחים ביותר לייצור מימן, מכיוון שהוא דורש רק מים וחשמל.

התעשייה עומדת בפני אתגר עם אלקטרוליזה של מים, שכן תהליך זה דורש אלמנטים נדירים ויקרים כמו פלטינה כדי לזרז את פיצול המים. עם ההיצע הגלובלי המוגבל ועליית המחירים של מתכות יקרות, יש צורך דחוף בחומרים אלקטרו-זרזים חלופיים להפקת מימן ממים.

פתרונות חדשניים מפסולת תעשייתית

ד"ר ג'סום אלבס פרננדס, בית הספר לכימיה, אוניברסיטת נוטינגהאם, שהוביל את צוות המחקר, אמר: "תעשיות בבריטניה לבדן מייצרות מיליוני טונות של פסולת מתכת מדי שנה. על ידי שימוש במיקרוסקופ אלקטרוני סורק, הצלחנו לבדוק את המשטחים החלקים לכאורה של הנירוסטה, טיטניום או ניקל סַגסוֹגֶת ספייס. לתדהמתנו גילינו שלמשטחים יש חריצים ורכסים ברוחב של עשרות ננומטרים בלבד. הבנו שמשטח ננו-טקסטורה זה יכול להוות הזדמנות ייחודית לייצור אלקטרו-זרזים".

החוקרים השתמשו בקפיצת מגנטרון כדי ליצור פלטינה אָטוֹם "גשם" על פני השבל. אטומי הפלטינה הללו מתאחדים לאחר מכן לננו-חלקיקים שמתאימים היטב לחריצים בקנה מידה ננו.

ייצור מימן ממים המזוזים על ידי אטומי פלטינה על שפת מתכת. קרדיט: אוניברסיטת נוטינגהאם

ד"ר Madasamy Thangamuthu, חוקר פוסט-דוקטורט באוניברסיטת נוטינגהאם שהיה אחראי על ניתוח המבנה והפעילות האלקטרוקטליטית של החומרים החדשים, אומר: "זה מדהים שאנחנו מסוגלים להפיק מימן ממים תוך שימוש בעשירית בלבד כמות העמסת הפלטינה בהשוואה לזרזים מסחריים חדישים. על ידי פיזור של 28 מיקרוגרם בלבד של המתכת היקרה על פני 1 ס"מ רבוע מהסרב, הצלחנו ליצור אלקטרוליזר בקנה מידה מעבדתי שפועל ביעילות של 100% ומפיק 0.5 ליטר גז מימן לדקה רק מחתיכת סבבה אחת".

הקבוצה משתפת פעולה עם AqSorption Ltd, חברה מבוססת נוטינגהאם המתמחה בתכנון וייצור אלקטרוליזרים כדי להגדיל את הטכנולוגיה שלהם. פרופסור אנדריי חלוביסטוב, בית הספר לכימיה, אוניברסיטת נוטינגהאם, אמר: "לזרזים האלקטרוניים העשויים מרבד יש פוטנציאל להשפיע רבות על הכלכלה. הטכנולוגיה הייחודית שלנו שפותחה בנוטינגהאם, הכוללת גידול אטום-לאטום של חלקיקי פלטינה על משטחים בעלי ננו-טקסטורה, פתרה שני אתגרים עיקריים. ראשית, הוא מאפשר ייצור מימן ירוק תוך שימוש בכמות המינימלית האפשרית של מתכת יקרה, ושנית, הוא מייצר פסולת מתכת מהתעשייה האווירית, והכל בתהליך אחד".

אשכול הפחמן האפס הוקם במזרח מידלנדס כדי להאיץ את הפיתוח והפריסה של חדשנות בתעשיות ירוקות ובייצור מתקדם.

פרופסור טום רודן, PVC למחקר וחילופי ידע באוניברסיטת נוטינגהאם אומר: "פיתוח מערכות הנעה מימן יכול להיות צעד משמעותי לקראת התמודדות עם כמה מהאתגרים הדחופים ביותר בעולם אפס פחמן, במיוחד עבור תעשיות התחבורה והייצור. עם זאת, הצלחת האסטרטגיה הזו תלויה בייצור מימן ירוק בר-קיימא, כגון באמצעות פיצול מים באמצעות אלקטרוליזה, וזה, בתורו, מצריך התקדמות בתכנון החומרים".

עבודה זו, הממומנת על ידי מענק תוכנית EPSRC 'אטומי מתכת על משטחים וממשקים (MASI) לעתיד בר קיימא', מייצגת צעד משמעותי לקראת הפחתת ההסתמכות על מתכות יקרות לייצור מימן, ובכך תורמת משמעותית לכלכלה המעגלית ודלת הפחמן.