גילוי זרז אורגני יכול להפחית את העלות של תאי דלק

רמות הפחמן הדו חמצני באטמוספירה הגיעו לגבהים חסרי תקדים, והעצימו את הצורך בפתרונות אנרגיה נקייה כחלופות לדלקים מאובנים. מכשול אחד שעומד בפני החוקרים הוא שטכנולוגיית תאי הדלק הנוכחית מסתמכת על השימוש בזרזי מתכת יקרים כמו פלטינה כדי להמיר מימן לאנרגיה; עם זאת, צוות מהמכללה של אוניברסיטת וירג'יניה ומבית הספר לתואר שני לאמנויות ומדעים זיהה מולקולה אורגנית שיכולה להוות תחליף יעיל וזול יותר לזרזי מתכת קונבנציונליים.

תאי הדלק המאפשרים כלי רכב חשמליים וגנראטורים תעשייתיים ומגורים ואשר נחוצים לאגירת אנרגיה שנוצרת על ידי הרוח או השמש משתמשים במתכות כמו פלטינה כדי לעורר את התגובה הכימית המפצלת מקורות דלק כמו גז מימן לפרוטונים ואלקטרונים שנרתמים לאחר מכן. בתור חשמל.

עד כה, תחליפים אורגניים לזרזים ממתכת נדירה לא נחשבו מעשיים מכיוון שתהליך הקטליזה גורם להם להתפרק לחלקים מרכיבים שאינם שימושיים יותר. במאמר שפורסם ב- כתב העת של האגודה האמריקנית לכימיה, לעומת זאת, פרופסורים חבר לכימיה צ'ארלס מאצ'ן ומייקל הילינסקי, יחד עם Ph.D. הסטודנטים אמה קוק ואנה דייויס, מזהים מולקולה אורגנית המורכבת מפחמן, מימן, חנקן ופלואור שיש לה פוטנציאל להוות תחליף מעשי.

פוטנציאל ויציבות של הזרז החדש

המולקולה יכולה לא רק ליזום את הפחתת החמצן – התגובה המתרחשת בתוך תא הדלק – אמר מאצ'ן; הוא יכול להמשיך להגיב עם תוצרי התגובה ואז לחזור למצבו המקורי.

"המולקולות הללו יציבות בתנאים שבהם רוב המולקולות מתכלות, והן ממשיכות להשיג פעילות התואמת את רמת הזרזים של מתכת מעבר", אמר מאצ'אן.

הממצא מציג צעד משמעותי קדימה בחיפוש אחר תאי דלק יעילים המשתמשים בחומרים שהם בני קיימא יותר ופחות יקרים לייצור ועשויים להביא לפיתוח הדור הבא של תאי דלק בחמש עד עשר השנים הקרובות, אך הממצאים הם רק ההתחלה.

"יתכן שהמולקולה הזו עצמה לא תהפוך אותה לתא דלק", אמר מאצ'אן. "מה שהממצא הזה אומר הוא שיכולים להיות חומרים קטליטיים מבוססי פחמן, ואם תשנה את אלה עם קבוצות כימיות מסוימות תוכל לקוות להפוך אותם לזרזים נהדרים לתגובת הפחתת החמצן. המטרה הסופית היא לשלב את המאפיינים שהופכים את המולקולה הזו ליציבה כל כך לחומר בתפזורת, כדי להחליף את השימוש בפלטינה".

השלכות רחבות יותר ומחקר עתידי

הילינסקי, שקבוצת המחקר שלו מתמקדת בכימיה אורגנית, הדגישה את חשיבות האופי הבינתחומי של צוות המחקר. "למולקולה הזו שאנו משתמשים בה כזרז יש היסטוריה במעבדה שלי, אבל תמיד חקרנו את השימוש שלה בתגובות כימיות שמתבצעות על מולקולות הרבה יותר גדולות המכילות פחמן – כמו החומרים הפעילים בתרופות", אמר הילינסקי. "ללא המומחיות של צ'רלי מצ'אן, אני לא חושב שהיינו יוצרים את החיבור לכימיה של תאי דלק."

לגילוי עשויות להיות השלכות גם על הייצור התעשייתי של מי חמצן, מוצר ביתי המשמש גם לייצור נייר וטיפול בשפכים.

"תהליך הכנת מי חמצן אינו ידידותי לסביבה ועתיר אנרגיה מאוד," אמר מאצ'ן. "זה דורש רפורמה בקיטור של מתאן בטמפרטורה גבוהה כדי לשחרר את המימן המשמש לייצורו."

הממצאים של הצוות שלו יכולים גם לשפר את המרכיב הקטליטי של תהליך זה, אשר עשויה להיות בעלת השפעות חיוביות הן על התעשייה והן על הסביבה, כמו גם על טכנולוגיית הטיפול במים.

הילינסקי גם ציין כי התגלית ושיתוף הפעולה שהובילו לכך עלולות להיות בעל השפעות המתרחבות הרבה מעבר לאגירת אנרגיה. "תמונה גדולה, אחד הדברים המרגשים ביותר במחקר הזה הוא שעל ידי חשמול הזרז, שינינו את הדרך בה הוא מגיב. זה משהו בלתי צפוי שיכול להיות שימושי גם לסינתזה של תרופות, שקבוצת המחקר שלי להוטה לחקור."

מאצ'ן, שקבוצת המחקר שלו מתמקדת באלקטרוכימיה מולקולרית, זוקפת גם היא לאופי הבינתחומי של צוות המחקר על התגלית.

"ללא הידע של הקבוצה של מייק הילינסקי בייצור מולקולות אורגניות יציבות שיכולות לעבור את סוג התגובות הנחוצות, העבודה לא הייתה אפשרית. מולקולה אורגנית ייחודית זו אפשרה לנו לעשות משהו שבדרך כלל רק מתכות מעבר יכולות לעשות", אמר מאצ'ן.