קתודות פיזור גז ללא יונומר וביצועים גבוהים עם טעינת Pt נמוכה לאלקטרוליזה של מים בממברנת חילוף פרוטונים

להפוך מים לדלק עם פחות מתכת יקרה

מימן המיוצר ממים וחשמל מתחדש מקודם לעתים קרובות כדלק נקי לתעשייה כבדה, לשינוע ואחסון אנרגיה לטווח ארוך. עם זאת, המכשירים היעילים ביותר היום לפיצול מים מסתמכים על כמויות גדולות של פלטינה, אחת מהמתכות הנדירות והיקרות ביותר על פני כדור הארץ. מחקר זה מראה דרך להשתמש בכמעט מאה פעמים פחות פלטינה בצדו האחד של המכשירים הללו, מבלי להקריב ביצועים או יציבות, וכך מקרב את המימן הירוק אל המטרה של עלות סבירה.

מדוע הקטנת השימוש בפלטינה חשובה

אלקטרוליזרי מים בממברנת חילוף פרוטונים מודרניים — מכשירים קומפקטיים המפרקים מים למימן וחמצן — פועלים היטב אך נסמכים במידה רבה על שתי מתכות אצילות נדירות. אירידיום מזרז את תגובת היווצרות החמצן באנוד, בעוד פלטינה מונהגת את היווצרות המימן בקתוד. אף על פי שהפלטינה היא זרז מצוין במעבדה, במכשירים ממוקמים חלק גדול ממנה בתוך שכבה עבה המעורבבת עם דבק מוליך יונים דמוי פלסטיק. רק חלק קטן מהמתכת נוגע במים, בגז ובממברנה בו‑זמנית — תנאי הכרחי להתקדמות התגובה. כתוצאה מכך, יצרנים מפצים על ידי הוספת פלטינה נוספת, מה שמגדיל הן את העלות והן את הביקוש לחומר.

שיטה חד‑שלבית להצבת אטומים בדיוק

החוקרים התמודדו עם הבעיה על ידי חשיבה מחדש על אופן בניית הקתוד. במקום להכין דיו נוזלי ולהרסס אותו על תמיכה, הם השתמשו בטכניקה גזית הנקראת הפקת שכבות אטומיות (ALD). ב‑ALD חשוף המשטח לפולסים חילופיים של ואפור המכיל פלטינה וגז ריאקטיבי, דבר המאפשר לפלטינה לגדול כתרמילי ננו־חלקיקים קטנים ומופרדים שכבה אחר שכבה. הם יישמו תהליך זה ישירות על שכבת פיזור גז מסחרית — יריעת פחם סופחת המאפשרת מעבר מים וגז — שעליה אופציונלית שכבה דקה נוספת בשם "שכבה מיקרו־פורית" שמיישרת את המשטח. על‑ידי כוונון מספר מחזורי ALD אפשר היה לשלוט הן בכמות אטומי הפלטינה שהונחו והן בגודל החלקיקים, וכל זאת בדיוק על סולם הננומטרים.

בניית שכבת קתוד דקה וחכמה יותר

הדמיה קפדנית וניתוח פני השטח איששו כי שיטת ה‑ALD הפיקה ננו־חלקיקי פלטינה אחידים היושבים בעיקר על פני השטח החיצוני של התמיכה במקום לשקוע לעומק. על השכבה המיקרו‑פורית החלקיקים היו קטנים במיוחד ומופצים באופן שווה, עם גדלים שלעיתים מטופלים מתחת לשני ננומטרים בעומס המתכת הנמוך ביותר. כי השכבה הדקה והחלקה הזו יוצרת מגע טוב עם הממברנה הפולימרית ובו בזמן דחוסת מים, היא מסייעת לבריחת בועות המימן ושומרת על זרימת מים טריים לאתרי הפעילות. בדיקות חשמליות בתאי אלקטרוליזה מלאים הראו כי קתודות חדשות אלה, אפילו עם כמויות פלטינה נמוכות מאוד הנעות סביב 1–5 מיקרוגרם לסנטימטר מרובע, יכולות לשוות או להתעלות על אלקודות ייחוס מסחריות שהכילו מעל מאה פעמים יותר פלטינה.

ביצועים, יעילות ועמידות

כדי להבין איך ומדוע העיצוב החדש פועל כל כך טוב, הצוות פירק את מתח התא לתרומות של מהירות תגובה, התנגדות חשמלית והובלת גז. הם גילו שכאשר הפלטינה הונחה על שכבה מיקרו‑פורית באמצעות ALD, מהירות תגובת היווצרות המימן נשארה דומה לזו של אלקודות קונבנציונליות עשירות בפלטינה, למרות התוכן הנמוך באופן דרמטי של המתכת. במקביל, אזור הזרז הדק והמאורגן היטב צמצם בעיות של הצטברות גז שיכולות אחרת לבזבז אנרגיה. כאשר החוקרים נרמלו את הביצועים לפי מסת הפלטינה בפועל, היתרון נעשה בולט: קתודותיהם הטובות ביותר ללא יונומר הציגו פעילות מסה עד שלושה סדרי גודל גבוהים יותר ממכשירים מסחריים סטנדרטיים והצטיינו על תוצאות הטובות שדווחו עד כה בספרות המדעית.

הוכחת עמידות בתנאים ריאליסטיים

שימוש בפלטינה פחות אינו משמעותי אם המכשיר אינו נשאר יציב במהלך שימוש ארוך טווח ותחת תנודות בהספק אופייניות לרוח ולשמש. לכן הצוות הריץ את האלקטרודות הטובות ביותר שלהם במשך 200 שעות בזרם גבוה, שקול ליחסי ייצור מימן ברמה תעשייתית. מתח התא נשאר כמעט קבוע, עם רק ירידה מזערית. במבחן נפרד שחיקה לפיצול מהיר בהספק — על‑ידי מחזורי מתח בין ערכים נמוכים לגבוהים במשך 25,000 מחזורים — הראו האלקודות שוב רק אובדן ביצועים זעיר. מדידות חשמליות לפני ואחרי המבחנים הללו הראו כי לא פעילותה הפנימית של הפלטינה ולא ההתנגדות הכוללת של התא השתנו באופן מהותי.

מה משמעות הדבר למימן ירוק

במילים פשוטות, עבודה זו מראה כיצד "לנצל כל אטום בחוכמה." על‑ידי הצבת הפלטינה בדיוק במקום שבו היא נדרשת — בשכבה דקה מאוד בממשק בין תמיכה נפטרת וחלקה לבין הממברנה — השיגו החוקרים את אותו תפוקת מימן עם כ‑99.5% פחות פלטינה בקתוד בהשוואה לעיצובים מסחריים של היום. מכיוון שתהליך ה‑ALD ניתן להתאמה לייצור גליל על גליל, בדומה לאופן שבו מדפיסים עיתונים, הוא מציע מסלול ריאלי להרחבה ייצור המוני. אם ישולב במאמצים מקבילים לצמצם את השימוש באירידיום באנודה, קידום כזה עשוי להפוך ייצור מימן ירוק בהיקף גדול לברי‑ישום טכנית וכלכלית.

ציטוט: Chen, M., Piechulla, P.M., Mantzanas, A. et al. High-performance ionomer-free gas diffusion cathodes with low Pt loading for proton exchange membrane water electrolysis. Commun Mater 7, 67 (2026). https://doi.org/10.1038/s43246-026-01076-2

מילות מפתח: מימן ירוק, אלקטרוליזה של מים, זרז פלטינה, הפקת שכבות אטומיות, אלקודת פיזור גז