מימן צפוי להיות אחד מדלקי העתיד (ראו פוסט קודם על ייצור מימן [1]). מעבר לדחיסותו האנרגטית הגבוהה (זה אומר שמקילוגרם מימן, נניח, ניתן להפיק יותר אנרגיה מדלקים אחרים), הוא קל יחסית לייצור - כל מה שצריך זה אנרגיה ומים. בעזרת השקעת אנרגיה, נוכל לפצל (לפרק) את מולקולת המים, המורכבת ממימן וחמצן, למולקלת מימן ומולקולת חמצן (2H2O--->2H2+O2). אם נזרים חשמל בין שתי אלקטרודות במים, נקבל מסביב לאלקטרודה אחת (האנודה) חמצן ומסביב לשנייה (הקתודה) מימן, בשל תהליך המכונה אלקטרוליזה של המים. זוהי השיטה המקובלת היום לייצור מימן ממקורות אנרגיה מתחדשים.

אבל במקום לייצר חשמל ואז לפצל מולקולות מים, אולי נוכל להשתמש ישירות בקרני השמש? אחד מהתהליכים הללו נקרא "פיצול מים פוטו-אלקטרוכימי", שבו אור השמש מכוון על תא פוטו-אלקטרוכימי, והאנרגיה מקרני השמש גורמת לפיצול מולקולות המים. אף שאחוז היעילות (כלומר, מאנרגיית השמש לאנרגיית פיצול המימן) של תאים אלו עובר את ה-5% [2], לרוב תאים אלו עושים שימוש בחומרים שמתפרקים (עוברים קורוזיה) במסגרת התהליך, על ידי תגובה עם החמצן, מה שהופך אותם לפחות אטרקטיביים מבחינה סביבתית.

בשיטה אחרת, הנקראת פוטוקטליזה, ניתן להקרין את קרני השמש באופן ישיר על משטח הנמצא בתוך המים, לרוב מוליך למחצה ייחודי המשמש כזרז (קטליזטור). כך נוכל להעניק אנרגיה לתהליך הפירוק בצורה ישירה, ללא חומרים שעוברים פירוק מהיר. כך נייצר מימן וחמצן יחד. עם זאת, עד היום שיטה זאת סבלה מיעילות (כלומר, מאנרגיית שמש לייצור מימן) נמוכה של כ-1%-3% [3]. אחת הבעיות המרכזיות שפוגעות ביעילות היא שלאחר פיצול המימן והחמצן, הם לפעמים נוטים 'להתאחד' מחדש וליצור מולקולות מים (2H2O<---2H2+O2).

לפני כמה ימים פורסם בכתב העת Nature מחקר חדש של חוקרים מאוניברסיטת מישיגן, המציג מערכת פוטוקטליזה מבוססת זרז בשם המתיש אינדיום גליום ניטריד. מערכת זאת מגיעה ליעילות יצירת מימן מהשמש של מעל 9%! [4]. השיפור המשמעותי הושג באמצעות ריכוז קרני השמש ביחס מקורב של 1 ל-100 על מערכת פוטוקטליזה קטנה. בריכוז זה, הקרינה שאינה משמשת לתהליך יצירת המימן מחממת את המים. החוקרים הראו שב-70 מעלות צלזיוס, איחוד החמצן והמימן בחזרה למולקולת מים ירד משמעותית – וכך הושגה יעילות של מעל 9% בייצור המימן. בנוסף, ריכוז קרני השמש מקטין משמעותית את הצורך בכמות גדולה של זרז, דבר המוריד את העלות של המערכת. החוקרים הראו כי יעילות זאת הושגה עבור מים מזוקקים בדרגה גבוהה, והציגו שגם עבור מי ים ומי ברז לא מותפלים מושגת יעילות של 6%-7% בייצור מימן.

אך כמו בכל סיפור הצלחה, גם פה קיימות מגרעות רבות, המגרעת העיקרית היא שבניגוד לתאים הפוטו-אלקטרוכימים, כאן המימן והחמצן נוצרים יחד, והתערובת הזאת עלולה להיות נפיצה מאוד. לכן, השלב הבא הוא לדאוג להפרדה בייצור או באיסוף של שתי המולקולות. 

למרות היעילות הגבוהה שנמדדה במסגרת המחקר, נכון לעכשיו, ייצור מימן מאלקטרוליזה רגילה, על ידי שימוש בחשמל באמצעות תאים סולאריים, כנראה יעיל יותר, וגם מוכר יותר מבחינה תעשייתית. חשוב לציין שתיאורטית, היעילות המקסימלית של ייצור מימן בשיטת הפוטוקטליזה מוערך בכ-24% [5], כך שעדיין יש לאן להתקדם בתחום - הן בהיבטי יעילות והן בהיבטי ייצור המוני.

עריכה: ינון קחטן

הערות והרחבות:

[1] פוסט על אלקטרוליזה של מים 

[2] מאמר על מעבר של 4% יעילות של פיצול פוטואלקטרוכימי 

[3] מאמר על תא פוטוקליזה ביעילות של 1.9%

[4] מאמר על פוטוקטליזה ביעילות מעל 9% 

[5] מאמר על גבול ייצור מימן בפוטוקטליזה