שחרור קיטור כימי בעזרת אירוסול של קו-קטליזטורים מבוססי קובלט על אלקטרודות צילום מבוססות ויסמוט ונאדט למערכות הפרדת מים סולאריות

להפוך שמש ומים לדלק נקי

דמיינו הפקת דלק מימני ישירות מאור השמש והמים, באמצעות לוח מוצק בדומה לתא סולרי. המחקר הזה בוחן שיטה חדשה לבניית שכבת ה"עוזרת" הקריטית על לוחות כאלה, באמצעות שיטה שניתן להרחיב כדי לכסות שטחים גדולים בעלות נמוכה. על ידי שיפור האפקטיביות שבה הלוח מפריד מטענים חשמליים וכן הארכת עמידותו במים, העבודה מקרבת את ייצור המימן הסולארי צעד נוסף לעבר מציאות פרקטית.

לוח סולארי מיוחד להפרדת מים

הגרעין של המכשיר הוא חומר סופג אור הנקרא ויסמוט ונאדט, המתנהג במקצת כמו לוח סולארי אך מותאם לעבוד מול מים במקום מול חוטים. כאשר אור השמש פוגע בשכבה זו במגע עם מים, הוא יוצר מטענים חיוביים ושליליים שאמורים, עקרונית, לפרק מולקולות מים לחמצן ולמימן. בפועל, עם זאת, רבים מהמטענים האלה מתאחים במהירות ונעלמים כחום מבוזבז, ושטח המשטח עלול להתמוסס לאט. כדי לסייע, החוקרים מוסיפים ציפוי דק של "קו-קטליזטור" שממריץ את התגובה הרצויה ומגן על המשטח מפני נזק.

בניית שכבת העזר על ידי ריסוס מהאוויר

באופן מסורתי, שכבת הקו-קטליזטור המבוססת על קובלט הידועה כפוספט קובלטי מגדלת בתוך אמבט נוזלי תחת אור ומתח חשמלי — תהליך שקשה ליישם באופן אחיד על שטחים נרחבים. בעבודה זו, הצוות במקום זאת מרח תחילה סרט תחמוצת קובלט באמצעות שיטת השחרור הכימי בעזרת אירוסול: ערפל דק של תמיסה המכילה קובלט מובא באמצעות אוויר חם מעל זכוכית מצופה בשכבת ויסמוט ונאדט, ויוצר עור אחיד של תחמוצת קובלט. לאחר מכן הם מניחים את הדגימה המצופה בתמיסת מלח המכילה פוספט ומפעילים מתח בחשכה, כשהם ממירים רק את המשטח החיצוני של תחמוצת הקובלט לפוספט קובלטי. תהליך דו-שלבי זה של "רסס ואז כיוון" מתרחש בלחץ אוויר רגיל, מה שהופך אותו לידידותי יותר לצביעות תעשייתיות.

כיצד הציפוי החדש משפר את הביצועים

החוקרים השוו את סרטי הפוספט קובלטי שהורססו ועובדו לסרטים הסטנדרטיים שנוצרו במלואם בגידול בנוזל תחת אור. למרות שהסרטים החדשים מכילים רק משטח דק עשיר בפוספט, הם דבקים חזק יותר ומצפים את ויסמוט ונאדט התחתון בצורה חלקה יותר. מבחנים חשמליים תחת אור מדומה הראו שהציפוי החדש הכפיל ואף יותר את היעילות מהשמש למימן של לוחות ויסמוט ונאדט פשוטים, מעליה מ-0.21% ל-1.16%. הוא גם הזז את המתח שבו מתחילה הפרדת המים לערכים נמוכים יותר והקטין את ההתנגדות לזרימת מטענים על פני השטח. מדידות של כמה ביעילות האור הנכנס מומר לזרם חשמלי מראות שהסרטים המורוססים משפרים הן את ההפרדה של המטענים בתוך הלוח והן את הקלות שבה מטענים אלה מזרזים את תגובת יצירת החמצן על פני השטח.

יציבות ועיצובים מתקדמים

שאלה מכרעת לכל לוח מפצל מים היא האם הוא יכול להתמיד. אלקטרודות ויסמוט ונאדט חשופות איבדו במהירות את רוב ביצועיהן בתוך ארבע שעות פעילות בלבד, כאשר פני השטח שלהן קורוזו במגע עם תמיסת האלקטרוליט. לוחות מצופים בשכבת הפוספט קובלטי המורוססת החדשה שמרו על כ-90% מהזרם ההתחלתי שלהם באותו פרק זמן והתאוששו ברובה לאחר מנוחה, מה שמעיד שהציפוי גם מזרז את התגובה השימושית וגם מגן פיזית על החומר הבסיסי. לעומת זאת, סרטי הפוספט קובלטי המקובלים פיתחו סדקים ופערים ובסופו של דבר נכשלו לחלוטין. כאשר הצוות שילב ויסמוט ונאדט עם שכבת תחתית סופגת אור נוספת ואז הוסיף את הציפויים המבוססי הקובלט, הם השיגו זרם ויעילות גבוהים עוד יותר, מה שמראה שהשיטה ניתנת לשילוב בעיצובים רב-שכבתיים מתקדמים יותר.

מדוע זה חשוב לאנרגיה נקייה עתידית

מחקר זה מראה ששיטת "רסס והמר" ניתנת להרחבה לייצור שכבות עוזרות מבוססות קובלט יעילות ועמידות למכשירי הפרדת מים סולאריים. אמנם היעילות המוחלטת נשארת מתחת לרמות הנחוצות לייצור מימן מסחרי, הגישה מספקת שיפורים גדולים בביצועים, יציבות לטווח בינוני ותאימות למבני אלקטרודות מורכבים — וכל זאת באמצעות תהליכים שפועלים בלחץ אטמוספרי ומתאימים ללוחות זכוכית גדולים. לקורא שאינו מומחה, המסקנה היא שהמהנדסים לא רק לומדים ליצור חומרים חכמים, אלא גם כיצד לייצר אותם בצורה שיכולה בסופו של דבר למלא גגות או חוות סולאריות בלוחות שממירים שמש ומים ישירות לדלק נקי.

ציטוט: Huang, M., Creasey, G., Lin, Z. et al. Aerosol assisted chemical vapor deposition of cobalt-based co-catalysts on bismuth vanadate-based photoelectrodes for solar water splitting systems. NPG Asia Mater 18, 8 (2026). https://doi.org/10.1038/s41427-026-00641-y

מילות מפתח: הפרדת מים סולארית, דלק מימני, אלקטרודות צילום, קטליזטור פוספט קובלטי, ויסמוט ונאדט