האם המהפכה האנרגטית תחל בחומרים הזעירים – ננו חלקיקים? ננו-צינוריות פחמן – קרבון ננו טיובס CNT לא הצליחו לממש את ההבטחה הגדולה שהן נשאו, למרות שילובם בתעשיות השונות. הסיבות לכך מגוונות וכוללות את הקושי בייצור המוני ובעלות גבוהה של התהליך, אתגרים בהנדסה ושילוב של הננו-צינוריות במערכות מורכבות יותר, שאלות בנוגע לבטיחותן, ותחרות מחומרים חדשים ומתפתחים כמו ננו צינוריות לא אורגניות. בשל האתגרים הטמונים בהן, מדענים וחברות עוברים לפיתוח יישומי ננו חומרים אחרים בכלל זה ננו טיובס לא אורגניים כמו טונגסטן די סולפיד WS2 ומוליבדנום די סולפיד MoS2.
- ננו צינוריות – מיישומים תעשייתיים ועד טכנולוגיות קוונטיות
- איך הבינה המלאכותית צפויה לשנות את חיינו ולהשפיע על העולם באופן דרמטי?
- ננו טכנולוגיה ברפואה
על ידי סינטזה ייחודית שלהם ויישומם באופן יעיל, שימוש מדויק במאפיינים של ננו-צינורות MoS2, מאפשר כבר כיום פיתוח יישומים מגוונים כמו תאי דלק וסוללות. כבר כיום אני נוטל חלק פעיל במיזם סטארט-אפ Applied NanoTubes פרי פיתוחה של פרופסור אלה זק, מהמכון הטכנולוגי חולון, הפועל לפיתוח יישומי ננו-טיובס מסוג זה על מנת לפתח לפתח תאי דלק יעילים, עמידים וחסכוניים יותר, ולסלול את הדרך למסחור רחב יותר ולאימוץ של טכנולוגיית אנרגיה נקייה זו, לצד סוללות יעילות יותר ותאים סולריים ייחודיים.
פיתוחים אלה הם פרי מחקר של עשרות שנים, שמאפשרים ייצור מגומלן של החומר באופן קריסטליני, טהור, באצוות גדולות יחסית, תוך שליטה במאפייני החומרים. פיתוחים מעין אלה, סוללים את הדרך להתפתחות דור חדש של יישומים בתחום האנרגיה והאלקטרו-כימיה שעשוים לחולל מהפכה של ממש בתחום.
מהם חומרים אלה? ננו-צינוריות לא אורגניות כמו מוליבדן (MoS2), הן מבנים תלת-ממדיים צינוריים בקנה מידה ננומטרי, המורכבים מאטומים הקשורים בקשרים קוולנטיים חזקים. מבנה ייחודי זה מקנה להן תכונות פיזיקליות וכימיות יוצאות דופן. בשנים האחרונות נחקרו חומרים כמו ננו צינוריות מסוג טונגסטן די סולפיד WS2 ומוליבדנום די סולפיד MoS2 כחומר בעל מאפיינים מתאימים במיוחד בתחום האנרגיה בכלל כבסוללות ליתיום וסודיום, תאי דלק ופאנלים סולריים.
מה הופך ננו צינוריות מסוג זה למתאימים ליישום של תאי דלק?
תאי דלק תאי דלק מהווים אמצעים בעל פוטנציאל להמרת אנרגיה, אך הם מתמודדים עם מספר אתגרים שמגבילים את השימוש בהם מכמה סיבות: החומרים ותהליכי הייצור הכרוכים בייצור תאי דלק יקרים. יעילות המרת אנרגיה היא לרוב לא אופטימלית, ומפחיתה את ביצועי המערכת הכוללים. עמידות תאי הדלק אינה מיטבית; תאי דלק יכולים להתקלקל עם הזמן בגלל גורמים שונים, כולל הרעלת זרז ופירוק ממברנות. לצד זה, לעיתים זמן ההפעלה איטי: לתאי דלק יכול לקחת זמן להגיע לתנאי הפעלה אופטימליים. ננו-צינוריות מוליבדנום דיסולפיד רב-שכבתיות (MoS2) מציעות פתרונות פוטנציאליים לאתגרים אלה בשל התכונות הייחודיות שלהן.
מדוע ננו צינוריות מסוג זה מתאים ליישומים אנרגטיים ועשויים להיות התשתית הזעירה לחולל מהפכה בתחום האנרגיה? מהן התכונות שלהן שהופך אותן למתאימות לתאי דלק ועוד יישומים?
- חוזק גבוה: הננו-צינוריות חזקות פי כמה מפלדה, מה שהופך אותן לחומר מבטיח ליישומים בתחום החומרים המתקדמים.
- מוליכות חשמלית מותאמת: ננו צינוריות אלה (בניגוד לננו צינוריות פחמן) הן מוליכות למחצה, מה שהופך אותן למתאימות ליישומים באלקטרוניקה אופטית, יישומים אנרגטיים ובתאים סולריים.
- יציבות כימית: MoS2 יציב יחסית בתנאי הפעלה קשים, משפר את עמידות תאי הדלק.
שטח פנים גדול: היחס בין שטח הפנים לנפח הגבוה של הננו-צינוריות מעניק להן תכונות קטליטיות מצוינות, מה שהופך אותן למרכיב חיוני בקטליזה כמו בסוללות או בתאי דלק. - זמינות גבוה של חומרי הגלם: מבחינת עלות-תועלת: MoS2 הוא חומר שופע יחסית והפקתו יכולה להתבצע בעלות נמוכה בהשוואה למתכות יקרות הנפוצות בתאי דלק כמו פלטינה. למותר לציין כי טכנולוגיות ייחודיות כמו זו שפותחה בAPPLIED NANOTUBES מאפשרות גימלון בייצור משמעותי ולא יקר של חומרים אלה. לעומת זאת בעולם, למעט כאמור בישראל, אין יכולת כיום לייצר ננו טיובס מעין אלה באופן זה.
ננו צינוריות MoS2 Nanotubes בתאי דלק
לבד מן הניסויים היישומיים שערכנו בטנגסטן די סולפיד ומוליבדן דיסולפיד (MoS2) שהדגימו את יעילות, חומר זה הוכח כזרז (קטליזטור) מבטיח לתגובת התפתחות המימן (H.E.R) בתאי דלק. המחקר היישומי התמקד בשיפור הפעילות הקטליטית שלו באמצעות אסטרטגיות שונות. כמו כן הוכח במחקרים (Ren et al., 2015 לדוגמה) שדופינג עם אלמנטים כמו Se, Mn ו-Co גם כן הראו כי הם משפרים את פעילותו H.E.R
לצד זה הוכח גם כי הגדלת אתרים פעילים (Active Sites) באמצעות פגמים, חללים פנויים בגופרית וקצוות חשופים משפרת את הביצועים הקטליטיים של החומר ביישומים אנרגטיים (Anjum et al., 2018). ממצאים אחרים העלו כי ננו-מבנים משולבים כמו הנחת MoS2 על ננו-צינוריות פחמן, משפרים עוד יותר את פעילות הHydrogen Evolution Reaction באמצעות הננו טיובס ביישומים הרלוונטיים (Stellmach et al., 2020). התקדמות אלו בזרזים מבוססי MoS2 מציעים חלופות לזרזי מתכת יקרים לייצור מימן בתאי דלק ויישומים אחרים.
ננו צינוריות בסוללות
אז האם ננו צינוריות לא אורגניות יחליפו סוללות ליתיום? סוללת ליתיום היא סוג של סוללה נטענת המשתמשת בליתיום כקתודה (האלקטרודה החיובית) שלה. סוללות ליתיום ידועות בצפיפות האנרגיה הגבוהה שלהן. דהיינו הן יכולות לאחסן כמות גדולה של אנרגיה ביחס למשקלן. זה הופך אותן למתאימות למגוון רחב של מכשירים אלקטרוניים.
ננו-צינוריות MoS2 מציעות פוטנציאל רב לשיפור ביצועי סוללות ליתיום. הודות לשטח הפנים העצום שלהן, הן יכולות לשמש כקטליזטור יעיל לתגובות החמצון-חיזור המתרחשות באנודה ובקתודה של הסוללה, מה שמוביל לקצב טעינה ופריקה מהיר יותר. בנוסף, המבנה השכבתי של MoS2 מאפשר איחסון יעיל של יוני ליתיום, מה שמגדיל את קיבולת הסוללה. יתרה מכך, היציבות הכימית והתרמית הגבוהה של MoS2 מסייעת לשפר את חיי הסוללה ולמנוע התדרדרות בביצועים לאורך זמן.
ננו-צינוריות MoS2 הראו פוטנציאל מבטיח כחומרי אנודה לסוללות ליתיום-יון (LIBs) וסוללות נתרן-יון (SIBs). הללו מציעות מוליכות חשמלית מותאמת, שיפור הובלת יונים ויציבות מבנית טובה יותר בהשוואה לחומרי MoS2 מסורתיים (Jiao et al., 2018). מעבר לכך, במחקרים שונים עלה כי השילוב של פחמן, כציפוי או במבנים מרוכבים, משפר עוד יותר את הביצועים האלקטרוכימיים של אנודות מבוססות מוליבדנום די סולפידי (Liu et al., 2016 ).
עוד התחוור (Cao et al., 2022 לדוגמה) כי חומרים אלה מראים תכונות של קיבולות גבוהות, יציבות מצוינת והספק מצוין הן בסוללות ליתיום-LIBs והן בסוללות SIB. בנוסף, הוכח (Pan et al., 2020) כי לננו-צינורות מרווחי שכבות MoS2 הראו השפעות קטליטיות משופרות ותכונות קיבוע עבור סוללות Li-S .
במבט על, ניכר כי לננו חומרים ישנם שימושים פוטנציאלים רבים, ובפרט בתחום האנרגיה. פוטנציאל רב טמון בפיתוחים הנעשים כיום באקדמיה ובתעשיה בחברות גדולות ובסטרטאפים שעשוי בהחלט לחולל את המהפכה האנרגטית הבאה היישר מעולם הננו המיקרוסקופי.
המאמר מאת ד"ר לביא סיגמן. ד"ר סיגמן מכהן כמנהל, יועץ וכדירקטור בחברות בתחומי טכנולוגיה עילית.
