סין משיגה פריצת דרך חדשה במחקר על המרת מים לדלק.

כיתוב לתמונה

מדענים בוחנים דגימה של חומר פוטו-קטליטי מוליך למחצה שעבר שינוי טיטניום דיאוקסיד (TiO₂) במרכז לחקר החומרים שניאנג - מכון לחקר מתכות, האקדמיה הסינית למדעים, ב-7 באפריל. צילום: סוכנות הידיעות שינחואה

לפני חמש מאות שנה, סופר המדע הבדיוני ז'ול ורן ניבא כי מים יהפכו לדלק האולטימטיבי של העתיד. כיום, מדענים פועלים כדי להפוך את התחזית הזו למציאות.

ליו גאנג, מנהל המכון לחקר מתכות תחת האקדמיה הסינית למדעים וראש צוות המחקר, אמר כי קבוצת המחקר המדעית הסינית השיגה לאחרונה פריצת דרך בתחום "פיצול מים פוטוקטליטי לייצור מימן".

באמצעות "ארגון מחדש" ו"החלפת אלמנטים" בחומר המוליך למחצה פוטוקטליטי טיטניום דיאוקסיד (TiO₂), הצוות שיפר משמעותית את יעילות יצירת גז מימן ישירות מאור השמש.

ממצאי המחקר הרלוונטיים פורסמו בכתב העת של האגודה האמריקאית לכימיה ב-8 באפריל.

כיום, קיימות שתי שיטות עיקריות לייצור מימן מאנרגיה סולארית.

שיטה אחת היא להשתמש בפאנלים סולאריים כדי לייצר חשמל, ולאחר מכן לבצע אלקטרוליזה של המים - למרות יעילותו הגבוהה, הציוד מורכב ויקר.

השיטה השנייה היא פוטוליזה ישירה באמצעות אור שמש - שימוש בחומרים מוליכים למחצה כמו טיטניום דיאוקסיד כדי "לפצל מים" תחת אור השמש.

צוותו של ליו גאנג ריכז את מחקרו בשיטה השנייה.

לפי ההסבר, השיטה המסורתית של שימוש בטיטניום דו-חמצני לפיצול מים נתקלת במכשול עיקרי: כאשר אור מאיר על טיטניום דו-חמצני, נוצרים בתוכו חלקיקים טעונים (אלקטרונים וחורים), שהם ה"כלים" לפיצול מים. עם זאת, אלקטרונים וחורים אלה אינם יציבים.

ליו גאנג הסביר: "אלקטרונים וחורים הם כמו מכוניות מרוץ שאיבדו את דרכן, מתרסקות באקראי במבוך של מבנים חומריים; רובן יתאחדו וייעלמו תוך מיליונית השנייה. יתר על כן, ייצור בטמפרטורה גבוהה גורם לעתים קרובות לאטומי חמצן 'לעזוב את בתיהם', ויוצר ריקנות חמצן ולכידת אלקטרונים, שכולם מפחיתים את יעילות התגובה הפוטו-קטליטית."

כדי להתגבר על כך, צוות המחקר הכניס באופן יצירתי יסוד "שכן" של טיטניום לטבלה המחזורית - סקנדיום (Sc) - כדי לשפר את טיטניום דיאוקסיד. התוצאות הראו שלסקנדיום שלושה יתרונות עיקריים:

ראשית, הרדיוס היוני של Sc דומה לזה של Ti, כך שניתן להטמיע אותו בסריג הגביש מבלי לעוות את המבנה.

שנית, מצב הערכיות היציב של Sc מסייע לנטרל את חוסר האיזון במטען הנגרם על ידי פער החמצן.

שלישית, יוני Sc יכולים לבנות מחדש את פני השטח של הגביש, וליצור מבנה פני שטח מיוחד, בדומה לבניית "כבישים מהירים וצמתים עבור אלקטרונים וחורי אלקטרונים", מה שעוזר להם להימלט מהמבוך ביתר קלות.

הודות להתאמות מתוחכמות, הצוות ייצר בהצלחה טיטניום דיאוקסיד עם ביצועים יוצאי דופן: קיבולת ספיגת האולטרה סגול שלו עלתה על 30%, ויעילות ייצור המימן שלו תחת אור שמש מדומה גדלה פי 15 בהשוואה לחומרים דומים, ובכך קבע שיא חדש במערכת חומרים זו.

מר ליו גאנג הצהיר: "אם חומר זה משמש לייצור פאנל פוטוקטליטי בגודל מטר מרובע, תחת אור שמש, הוא יכול לייצר כ-10 ליטר של גז מימן ביום."

חוקרים הוסיפו כי טיטניום דיאוקסיד הוא חומר אנאורגני בשימוש נרחב בתעשייה, כאשר סין אחראית ליותר מ-50% מהייצור העולמי, ויוצרת שרשרת תעשייתית שלמה. במקביל, לסין יש גם את העתודות הגדולות בעולם של יסוד האדמה הנדיר סקנדיום. זה יוצר יתרון תעשייתי פוטנציאלי לפיתוח ויישום של חומרים פוטו-קטליטיים בעתיד.

ככל שיעילות פיצול המים הפוטו-וולטאי ממשיכה להשתפר, לטכנולוגיה זו פוטנציאל ליישום בייצור בקנה מידה תעשייתי, מה שמניע את השינוי במבנה האנרגיה העולמי.

מקור: https://baotintuc.vn/khoa-hoc-cong-nghe/trung-quoc-dat-dot-pha-moi-trong-tien-trinh-nghien-cuu-bien-nuoc-thanh-nhien-lieu-20250409112539937.htm