עלה מלאכותי מסינגפור מייצר מימן ממי ים מזוהמים

צוות באוניברסיטה הטכנולוגית נאניאנג (NTU) בסינגפור הציג עלה מלאכותי המייצר מימן ממי ים באמצעות אור שמש בלבד. המכשיר גם משמיד הידרזין, כימיקל רעיל ביותר המצוי בחלק ממי השפכים התעשייתיים. כך, הוא מתמודד עם ייצור דלק נקי וניקוי זיהום בצעד אחד.

החוקרים פרסמו את העבודה ב- Nature Communications . פרופסור לידיה ה. וונג מבית הספר למדעי החומרים והנדסה של NTU הובילה את הצוות.

למה מי ים קשים

רוב האלקטרוליזרים מפצלים מים טריים ומטוהרים. מי ים נמצאים בשפע רב יותר, אך המלח שלהם גורם לצרות. כאשר זרם חשמלי עובר דרכם, יוני כלוריד נוטים ליצור תרכובות כלור שהן קורוזיביות ורעילות.

תרכובות אלו אוכלות אלקטרודות ויוצרות בעיית פסולת משלהן. כתוצאה מכך, ייצור מימן ממי ים דורש בדרך כלל התפלה יקרה תחילה, או אלקטרודות עמידות בפני קורוזיה.

אספקת מים מתוקים כבר מהווה דאגה עבור מרכזי מימן מתוכננים באזורי חוף יבשים, כולל חלקים מאוסטרליה, המזרח התיכון וצפון אפריקה. שימוש ישיר במי ים יפחית את הלחץ הזה. זה יתאים גם למדינות אי כמו סינגפור, שיש לה אסטרטגיית מימן לאומית אך מים מתוקים מוגבלים.

התכנון של NTU עוקף הרבה מכך. הצוות התאים לאנודה זרז שמפרק הידרזין למימן וחנקן. במקביל, התגובה מדכאת את היווצרותן של תרכובות כלור.

קתודה פרובסקיטית

בצד השני של המכשיר, החוקרים בנו את הקתודה מפרובסקיטים מסוג הליד עופרת. חומרים גבישיים אלה סופגים אור היטב והופכים אותו לחשמל בזול. הם עוררו עניין רב במחקר סולארי בעשור האחרון. יצרנים יכולים גם לעבד אותם מתמיסה בטמפרטורות נמוכות, מה ששומרת על עלויות נמוכות.

כאן, הפוטוקתודה הפרובסקיטית הגיעה לצפיפות זרם פוטואלקטרי של 25 מיליאמפר לסנטימטר רבוע. צפיפות הזרם הפוטואלקטרי מודדת כמה זרם מייצר המכשיר לכל שטח מואר. הצוות אומר שהנתון הוא אחד הגבוהים ביותר שדווחו עבור קתודות פרובסקיט מבוססות עופרת.

המכשיר גם שמר על תפוקה יציבה במשך יותר מ-72 שעות תחת אור השווה לאור שמש מלא ביום בהיר. בינתיים, הוא ייצר מימן בקצב דומה למכשירים דומים המופעלים על ידי השמש.

ניקוי מים כפי שהם פועלים

מכיוון שהעלה פועל ללא מתח חיצוני, הוא מופעל באופן עצמאי. במילים פשוטות, אור השמש לבדו מניע את שתי התגובות, ללא צורך בצריכת חשמל מהרשת או מסוללה. בניסויים, הוא פירק את ההידרזין לרמה של פחות מחלק אחד למיליארד תוך כ-30 שעות. למעשה, המכשיר הסיר כמעט את כל המזהם מתמיסת הבדיקה.

הידרזין משמש בתהליכים תעשייתיים, כולל ייצור כימי, וכדלק להנעת רקטות. הוא רעיל לבני אדם ולחיים ימיים, ולכן שפכים המכילים אותו זקוקים לטיפול זהיר. מכשיר שמסיר אותו תוך כדי ייצור דלק יכול להפוך את עלות הסילוק למקור ערך קטן.

משוכות לפני הרחבה

התוצאות הן בקנה מידה מעבדתי, וכמה שאלות גדולות נותרו פתוחות. לפרובסקיטים יש חולשה ידועה: הם מתכלים בחשיפה ללחות, חום ותקופות ארוכות של אור. שלושה ימים של פעולה יציבה הם תוצאה חזקה עבור סוג זה של חומר, אם כי מערכות מסחריות צריכות לפעול במשך שנים.

השימוש בעופרת מעלה שאלות גם לגבי כל מכשיר שנועד לשבת במים. מהנדסים יצטרכו להראות שהחומר נשאר אטום לאורך תקופות ארוכות. בנוסף, הגדלת תאי מעבדה קטנים לפאנלים גדולים בדרך כלל פוגעת ביעילות.

ובכל זאת, העבודה מוסיפה למגוון הולך וגדל של גישות לייצור מימן סולארי ישיר, כולל חומרים סולאריים בשכבות המאיצות את פירוק המים . עבור אתרי תעשייה חופיים, ייצור מימן ממי ים תוך טיפול במים מזוהמים הוא שילוב אטרקטיבי. השלב הבא הוא להוכיח שהקונספט יכול לשרוד בתנאים אמיתיים מחוץ למעבדה.