מימן, אחסון וייצור: אבולוציה וטכנולוגיות H2

ייצור מימן עם אוויר הסביבה!

1016x572.jpg (123.74 KiB) נצפה 1571 פעמים

כימאים של EPFL המציאו יריעת שמש מלאכותית, המבוססת על אלקטרודה שקופה ונקבובית חדשה. הוא יכול לקצור מים אטמוספריים ולהמיר אותם למימן. טכנולוגיית מוליכים למחצה זו פשוטה לייצור ויישום בקנה מידה גדול.

במשך עשרות שנים, מדענים חלמו על מכשיר המופעל כולו על ידי אנרגיה סולארית כדי לקצור מים מהאטמוספרה ולהמיר אותם למימן. ב-EPFL, המהנדס והכימאי קווין סיבולה עשה צעד חשוב לקראת מימוש הרעיון הזה. עם הצוות שלו, הוא פיתח מערכת פשוטה כמו שהיא גאונית. הוא משלב טכנולוגיות מוליכים למחצה ואלקטרודות חדשניות המציגות שני מאפיינים מרכזיים: נקבוביות, כדי למקסם את המגע עם מים אטמוספריים, ושקיפות, כדי לייעל את החשיפה לאור השמש של ציפוי המוליך למחצה. תחת אור טבעי, המכשיר שואב מים מהאוויר שמסביב ומייצר מימן. התוצאות מתפרסמות ב-Advanced Materials. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10. ... .202208740

היכן שוכנת החידוש? באלקטרודות דיפוזיה של גז, שקופות, נקבוביות ומוליכות. לפיכך הם מאפשרים לטכנולוגיה הסולארית הזו להפוך מים - הנמצאים באוויר במצב גזי - למימן.

"עבור חברה בת קיימא, עלינו למצוא דרכים חדשות לאחסן אנרגיה מתחדשת בצורה כימית שיכולה לשמש כדלק או כחומר גלם לתעשייה", אומר המחבר הראשי קווין סיבולה. מהמעבדה להנדסה מולקולרית של חומרים אופטואלקטרוניים של EPFL. . אור יום הוא הצורה הנפוצה ביותר של אנרגיה מתחדשת, ואנו פועלים לפיתוח דרכים כדאיות כלכלית לייצור דלק סולארי".

בהשראת עלי צמחים
בעבודתם עבור דלקים מתחדשים שאינם מאובנים, מהנדסי EPFL, בשיתוף עם טויוטה מוטור אירופה, קיבלו השראה מהיכולת של צמחים להמיר אור יום לאנרגיה כימית על ידי רתימת הפחמן הדו חמצני הקיים באטמוספירה. בעיקרון, צמחים קוטפים CO2 ומים מסביבתם ולאחר מכן, באמצעות הגברת האנרגיה של אור השמש, ממירים את המולקולות הללו לסוכרים ועמילן. תהליך המכונה פוטוסינתזה.

עוצב על ידי קווין סיבולה וצוותו, אלקטרודות דיפוזיית הגז השקופות יכולות להיות מצופה בחומר מוליכים למחצה שאוסף אור. לכן הוא פועל כמו עלה, אוסף אור ומים הנמצאים באטמוספירה כדי לייצר מימן. אנרגיית השמש מאוחסנת בצורה של קשרי מימן.

במקום לייצר אלקטרודות בדרך המסורתית, עם שכבות אטומות, המצע שלהן מורכב מרשת תלת מימדית של סיבי זכוכית.

"היה קשה לפתח את אב הטיפוס שלנו, מכיוון שהאלקטרודות השקופות עם דיפוזיה של גז מעולם לא היו נושא להדגמה קודמת, מסבירה מרינה קארטי, המחברת האחראית על המחקר. עבור כל שלב, היינו צריכים לפתח נהלים חדשים. אבל, מכיוון שכל שלב הוא פשוט יחסית וקל להגדלה, אני מאמין שהגישה שלנו תפתח אופקים חדשים למגוון יישומים, החל ממצעי דיפוזיה של גז לייצור חשמל סולארי. מימן".

מלחות נוזלית ועד אטמוספרי
קווין סיבולה וקבוצות מחקר אחרות כבר הוכיחו שניתן להשיג פוטוסינתזה מלאכותית על ידי יצירת מימן ממים ואור שמש באמצעות תא פוטו-אלקטרוכימי (PEC). תא זה ידוע בדרך כלל כמכשיר המשתמש באור חודר כדי לעורר חומר רגיש לאור, למשל מוליך למחצה, אשר שקוע בתמיסה נוזלית כדי לגרום לתגובה כימית. מבחינה מעשית יש לתהליך חסרונות. לדוגמה, זה מסובך לייצר מכשירי PEC בעלי שטח גדול המנצלים את הנוזל.

קווין סיבולה רצה להראות שניתן להתאים את טכנולוגיית PEC לקציר לחות אטמוספרית. זה הוביל לפיתוח אלקטרודת דיפוזיית הגז שלהם. הוכח שתאים אלקטרוכימיים עובדים עם גזים ולא עם נוזלים. אבל עד עכשיו, אלקטרודות דיפוזיה של גז היו אטומות ולא תואמות לטכנולוגיית PEC סולארית.

מדענים מתמקדים כעת באופטימיזציה של המערכת. מהו גודל הסיבים האידיאלי? רוחב הנקבוביות המושלם? חומרי המוליכים למחצה והממברנה הטובים ביותר? אלו הן השאלות שהם רודפים אחריו במסגרת פרויקט "Sun-to-X" האירופי, המוקדש לקידום הטכנולוגיה הזו ולפיתוח דרכים חדשות להמרת מימן לדלקים נוזליים.

ייצור אלקטרודות שקופות לפיזור גז
כדי לייצר אלקטרודות דיפוזיה שקופות של גז, מדענים התחילו עם סוג של צמר זכוכית. אלה הם בעצם סיבי קוורץ (או תחמוצת סיליקון), שהופכים ליריעות לבד, על ידי התמזגותם בטמפרטורה גבוהה. לאחר מכן, הצלחות מצופות בסרט שקוף של תחמוצת בדיל משופרת פלואור. חומר הידוע במוליכות מעולה שלו, חוסן וקלות ייצור המוני. צעדים ראשונים אלו מביאים לצלחת שקופה, נקבובית ומוליך, החיונית למיצוי המגע עם מולקולות המים הקיימות באוויר, וכן כדי לאפשר מעבר לפוטונים. הצלחת מכוסה בציפוי נוסף: סרט דק של חומרים מוליכים למחצה הבולטים אור. https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.0c00126
שכבה שנייה זו עדיין מכניסה אור, למרות שהיא נראית אטומה בשל שטח הפנים הגדול של המצע הנקבובי. כפי שהוא, רקיק כבר יכול לייצר מימן כאשר הוא נחשף לשמש.

המדענים המשיכו לפתח תא קטן המכיל את הצלחת, כמו גם קרום להפרדת הגז שנוצר, על מנת לבצע מדידות. כאשר החדר נחשף לאור בתנאי לחות, נוצר מימן. זו הייתה המטרה של המדענים. הם מראים שאפשר ליצור אלקטרודה שקופה עם דיפוזיה של גז להפקת מימן מאנרגיה סולארית.

המדענים לא חקרו רשמית את יעילות ההמרה בהדגמה שלהם. אבל הצוות מסכים שזה נשאר צנוע עם אב הטיפוס הזה, פחות ממה שמסוגלים תאי PEC מבוססי נוזלים. עם חומרים נוכחיים, היעילות התיאורטית המקסימלית של הלוחות להמרת מימן סולארי היא 12%, בעוד שיעילות של 19% הוכחה עבור תאים מבוססי נוזל.

הפניות
מצע מוליכים נקבובי שקוף לייצור מימן פוטו-אלקטרוכימי בשלבי גז
מרינה קארטי, אליזבטה מנסי, רלוקה-אנה קסלר, לינדה לזוני, בנג'מין גולדמן, לואי קרבון, סיימון נוסבאום, רבקה א. וולס, האנה ג'ונסון, אמליין רידו, ג'ון-הו יאם, קווין סיבולה
https://doi.org/10.1002/adma.202208740

Obamot כתב:למרות שאני מבין את המשמעות שאתה רוצה לתת לזה ("זה היה נראה כישלון מסוים"... בסופו של דבר לדבריך.) אנחנו לא מבינים את ההיגיון.

(...)

ושם מההתחלה אנחנו כבר מקבלים 12%.... וואו!