זרזי ברזל הופכים תאי דלק מימן למעשיים

תאי דלק מימן: זרזי ברזל כחלופה לפלטינה

מימן יכול, תיאורטית, להיות הדלק המושלם לעתיד ירוק: ניתן לייצר אותו מחשמל מתחדש, אינו מייצר מזהמים בעת צריכתו, ודורש רק מים כחומר לייצורו.

עם זאת, ייצור מימן בעלות נמוכה מספיק היה מאתגר. מערכות חלופיות, כמו ייצור משותף של מים מתוקים בו זמנית, זרזים חדשים למימן שאינם דורשים מתכות יקרות, או פוטוקטליזה, נחקרים.

שלב נוסף שמפחית את הכדאיות המסחרית של מימן הוא בשלב הצריכה. כאשר אינו בשימוש במנוע בעירה (בדומה למנוע דלק, עם יעילות נמוכה יותר), נעשה שימוש בתאי דלק, שבדרך כלל דורשים פלטינה יקרה כזרז.

לא רק שזה מייקר את תאי הדלק, זה גם עלול לעכב את האימוץ ההמוני של מימן כדלק, שכן פלטינה ומתכות נלוות כמו פלדיום הן נדירות מאוד על פני כדור הארץ, מה שמקשה על השגת עלייה בייצורן.

למרבה המזל, חלופות מגיעות, הודות לעבודתם של מדענים סינים ברבים ממוסדות המחקר המובילים במדינה: האקדמיה הסינית למדעים, אוניברסיטת שנזן (סין), אוניברסיטת דרום-מזרח (סין), אוניברסיטת צינגהואה, אוניברסיטת בייג'ינג לטכנולוגיה כימית, אוניברסיטת העיר הונג קונג ואוניברסיטת שיאמן.

הם פרסמו¹ גילוי זרז חדש מבוסס ברזל לתאי דלק בכתב העת המדעי היוקרתי Nature, תחת הכותרת "חיזור חמצן חומצי על ידי זרזים חד-אטומיים של Fe על תומכים מעוקלים".

כיצד פועלים תאי דלק

החלקים של תאי דלק המייצרים חשמל מצריכת מימן הם ממברנות חילוף פרוטונים (PEMs).

תאי דלק פועלים על ידי זרז ההמרה של מימן (H₂) לפרוטונים (יוני H+) + אלקטרונים, ויוצרים זרם חשמלי. כפי שצוין קודם לכן, זרז זה הוא באופן מסורתי פלטינה, מתכת יקרה.

מקור: ויקיפדיה

במקום זאת, המדענים הסינים יצרו עיצוב זרז חדש, המתואר כ"הפעלה פנימית, הגנה חיצונית", אשר מסתמך על ברזל פשוט כזרז.

זרזי מימן מבוססי ברזל

אתגרים של זרזי ברזל בתאי דלק

הרעיון של שימוש בזרז ברזל, המסוגל באופן טבעי ללכוד חמצן (נטייה שאנו מכירים בדרך כלל כ"חלודה") ולקשור אותו ליוני המימן, אינו חדש.

אבל עד כה, זה הופרע על ידי תגובות כימיות לא רצויות, בעיקר ספיחה חזקה של חומרי ביניים מחומצנים, ודה-מתכת של אטומי ברזל. כך או שאטומי הברזל "נתקעים" עם תרכובות עשירות בחמצן, או שהם הופכים ללא מסוגלים לתפקד כזרז.

על מנת לעצור את התגובות הלא רצויות הללו, יצרו החוקרים ננו-מבנה ייחודי עבור זרז הברזל.

זרזים של ברזל חלול ננו-מובנה

זרזים מסורתיים של ברזל מסתמכים על משטח חיצוני של גרפן או תומכי פחמן, מה שמגביל את כמות הברזל הנגישה לתגובות הרצויות עם מימן.

במקום זאת, השיטה בה נעשה שימוש הייתה יצירת משטח פנימי מעוגל עם אתר זרז ברזל בעל אטום יחיד.

כל אחד מהאתרים הללו ממוקם במבנה ננו-מגודר חלול רב-קליפתי (HoMS). ננו-HoMS אלה מפוזרים וקשורים לשכבת פחמן דו-ממדית, בדומה לגרפן.

מקור: שער מחקר

חלקיקי הננו החלולים הם בגודל של כ-10 ננומטר × בגודל של 4 ננומטר, ומורכבים מקליפות מרובות שבהן אטומי ברזל מרוכזים על השכבות הפנימיות בצפיפות גבוהה. ספקטרוסקופיית בליעת קרני רנטגן בסינכרוטרון גילתה כי אטומי הברזל הפנימיים הללו נמצאים בקצב של 57.9% במצב פעיל קטליטי.

מקור: שער מחקר

שיפורי ביצועים עם זרזי ברזל

החלק כדי לגלול →

הננו-מבנה מחליש את חוזק הקישור של תוצרי הביניים של התגובה המחומצן, ומסיר מגבלה עיקרית של זרזים מבוססי ברזל.

מקור: שער מחקר

זה גם מפחית את קצב ייצור הרדיקל ההידרוקסיל (•OH), מולקולה תגובתית ומזיקה מאוד שתמיד מהווה בעיה פוטנציאלית בתגובות חמצן-מימן.

התוצאה הסופית היא תא דלק המשתמש בזרזים מברזל, שהוא עדיף באופן קיצוני על עיצובים אחרים, הן מבחינת צפיפות הספק שיא והן מבחינת צפיפות הזרם (כוכבים אדומים למטה), עם צפיפות הספק גבוהה ביותר של 0.75 וואט לסמ"ר תחת 2 בר H1.0-air.

מקור: שער מחקר

עיצוב זרז זה עמיד הרבה יותר מהגרסה הקודמת של זרזים מבוססי ברזל, ונשאר ביעילות של 86% לאחר יותר מ-300 שעות פעולה.

מקור: שער מחקר

סיכום

כלכלת מימן תתאפשר רק כאשר ייפתרו השיקולים הכלכליים, באמצעות זרזים קלים לייצור, תוך הסתמכות על חומרים בשפע וזולים.

בהקשר זה, ברזל, בהיותו אחת המתכות המיוצרות והזולות ביותר על פני כדור הארץ, יהיה מועמד אידיאלי.

משמעות הדבר היא גם שהירידה המהירה יחסית ביעילות לאורך זמן (שסביר להניח שעדיין ניתן לשפר אותה לעומת התכנון הניסיוני הראשון) תהיה פחות בעיה, ואת חלק הזרז של תא הדלק ניתן יהיה פשוט להחליף בחדש באופן קבוע, כאשר החלק המשומש ימוחזר או יחודש לביצועיו המקוריים.

השקעה בטכנולוגיית תאי דלק

Plug Power Inc.

Plug Power היא חברה מובילה בתחום המימן הירוק, עם דגש על תאי דלק. החברה מדווחת על 72,000+ תאי דלק המותקנים ביותר מ-300 מיקומים, עם נוכחות נרחבת בציי משאיות. בפרט, תאי הדלק שלה מפעילים למעלה מ-40,000 מלגזות, ועם עלייה של פי 8 בהכנסות מאז 2013.

היא פעילה גם בבניית תשתיות מימן, כמו ייצור מימן, לוגיסטיקה, ייצור חשמל בקנה מידה גדול ואספקות.

מקור: חבר חשמל

החברה שואפת להגדלה כדי להפחית את עלויות ייצור המימן מ-10 דולר לק"ג ל-4 דולר לק"ג, תוך הכפלת הייצור פי 14 בשנת 2027. היא אמורה גם להחליף את כל המימן שמקורו חיצוני, שלעתים קרובות נמכר ללקוחות בהפסד.

עקב ההשקעות העצומות להגדלת כושר הייצור פי 19 מאז 2020, החברה עדיין לא רווחית, אך התקדמות באספקת מימן משלה אמורה לשנות זאת.

החברה רואה את הפתרונות שלה כדלק ניידות ישיר או כהשלמה לרכבים חשמליים, שכן מימן מאפשר הפחתת הלחץ על הרשת במהלך זמן הטעינה השיא של כלי רכב חשמליים, שאינו תואם את תקופות הייצור של אנרגיה מתחדשת במהלך היום.

מקור: חבר חשמל

כיצרנית מרכזית של תאי דלק, חברת Plug Power תרוויח רבות מהמעבר לכלכלה מבוססת מימן. ניתן לשלב זרז זול יותר לתאי דלק בעיצובים שלה, ולהגביר את קצב האימוץ של כלי רכב המונעים מימן ואחסון אנרגיה בקנה מידה של רשת החשמל.

אז זה הופך את Plug Power למניה טובה להימור על פנייה לכיוון מימן באופן כללי, עם גידול בביקוש לתאי הדלק שלה בכל פעם שממציאה שיטה זולה יותר לייצור, אחסון, הובלה או ניצול מימן.

חדשות והתפתחויות אחרונות במניות Plug Power Inc (PLUG)

מחקר שאליו התייחס

^{1. Zhao, Y., Wan, J., Ling, C. et al. חיזור חמצן חומצי על ידי זרזים חד-אטומיים של Fe על תומכים מעוקלים. טבע 644, 668 – 675 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-09364-6}