מחקר בינלאומי משולב של חוקרים מאוניברסיטת סנט. אנדרוז (סקוטלנד), מאוניברסיטת Bochum and Helmholtz-Forschungszentrum בברלין וממכון KIT הצליח לגלות ממצאים חדשים בנוגע למנגנונים שבבסיס הפוטוכימיה של די-תחמוצת הטיטאניום (TiO2).
| תהליך קליטת אנרגית השמש. איור: המכון הטכנולוגי של קרלסרוהה |
הפקת תועלת וניצול של מקורות אנרגיה חדשים מהווים כיום אחד מהאתגרים הגדולים לאנושות. אנרגיית השמש נוטלת תפקיד מרכזי מבין מקורות אלו, וההמרה של קרני-האור לאנרגיה כימית, לדוגמא הפקת מימן באמצעות ביקוע מים, היא אחת מהשיטות המעניינות שלה. תהליך ההמרה הנפוץ והיעיל ביותר כיום מתבסס על פוטו-קטליזה באמצעות תחמוצת טיטאניום, אולם הוא לא לגמרי ברור בכל פרטיו. עתה, בזכות מחקרם של מדענים מגרמניה, הוצגו ממצאים מפורטים לגביי המנגנונים הבסיסיים של תהליך זה.
למרות שהפקת מימן מתוך מים ואור השמש באמצעות תחמוצות נחקרת באופן נרחב מזה מספר עשורים, המנגנונים הפיסיקליים והכימיים של התהליכים המעורבים בה עדיין אינם ניתנים לתיאור הולם דיו. מחקר בינלאומי משולב של חוקרים מאוניברסיטת סנט. אנדרוז (סקוטלנד), מאוניברסיטת Bochum and Helmholtz-Forschungszentrum בברלין וממכון KIT הצליח לגלות ממצאים חדשים בנוגע למנגנונים שבבסיס הפוטוכימיה של די-תחמוצת הטיטאניום (TiO2).
די-תחמוצת הטיטאניום, או טיטאניה, הוא חומר פוטו-פעיל המצוי בטבע. כאשר אבקה של חומר זה, המשמש גם כמרכיב בצבענים, בחומרי-צבע ובמסנני קרינה, נחשפת לאור, אלקטרונים עוברים עירור ומסוגלים, לדוגמא, לבקע מולקולת מים לרכיביה – חמצן ומימן.
המימן המופק בשיטה זו מהווה מקור אנרגיה "נקי": לא נוצרים כל גזי-חממה הפוגעים באקלים והתוצר היחיד של הבעירה הינו מים. די-תחמוצת הטיטאניום משמשת גם בייצור של משטחים המנקים את עצמם באמצעות הסרה של שכבות בלתי-רצויות מהם באמצעות תהליך פוטו-כימי הניזום ע"י קרני-שמש. בבתי-חולים, יכולת זו מנוצלת על-מנת לחטא מכשירים מיוחדים המצופים בשכבת די-תחמוצת הטיטאניום בעקבות הקרנת אור על-סגול.
עד היום, לא ניתן היה להסביר את המנגנונים הפיסיקליים של תגובות פוטו-כימיות אלו ע"ג משטחי טיטאניה. חלקיקי האבקה המשמשים לייזום תהליכים פוטו-כימיים הם בגודל של מספר ננומטרים בלבד ועל-כן הם קטנים מדי עבור מחקרם בשיטות העוצמתיות הרגילות של בדיקות משטחים. באמצעות השימוש בחומר חד-גבישי בגודל מילימטרי, החוקרים הצליחו, לראשונה אי-פעם, לבחון באופן מדויק את התהליכים הפוטו-כימיים המתרחשים ע"ג משטח די-תחמוצת הטיטאניום באמצעות ספקטרומטר תת-אדום חדשני. בנוסף, באמצעות שיטה המבוססת על לייזר, החוקרים הצליחו גם לקבוע את זמן החיים של האלקטרונים המעוררים בעקבות ההקרנה בתוככי גבישי די-תחמוצת הטיטאניום.
לדברי החוקר הראשי (Christof Wöll), מידע מדויק בנוגע לתהליכים אלו הוא בעל חשיבות מרובה: "זמן חיים קצר משמעותו שהאלקטרונים המעוררים חוזרים למצבם המקורי שוב ושוב: הצלחנו להבחין בסוג מסוים של מעגל חשמלי פנימי קצר. במקרה של זמן חיים ארוך, האלקטרונים נותרים במצב המעורר מספיק זמן כך שיוכלו להגיע לפני-השטח של הגביש וליזום שם את התהליכים הכימיים המתאימים." הצורה המינרלית הטבעית של די-תחמוצת הטיטאניום המכונה בשם Anatase (המונח בוויקיפדיה) מתאימה במיוחד למטרה השנייה מכיוון שהיא מורכבת ממבנה אלקטרוני מיוחד המונע היווצרותם של "מעגלים חשמליים פנימיים קצרים".
ידע נוסף בנוגע למאפיין זה יאפשר לחוקרים לשפר עוד את הצורה, הגודל והתכונות של חלקיקי anatase המשמשים לייזום תהליכים פוטו-כימיים. המטרה היא לפתח חומרים פוטו-פעילים בעלי יעילות גבוהה יותר וזמני-חיים ארוכים יותר.
דובר מכון המחקר מציין כי הממצאים שהושגו ע"י צוות החוקרים הבינלאומי הם בעלי חשיבות מרובה בנוגע להפקה של אנרגיה כימית וחשמלית מאור השמש, ובמיוחד בנוגע לשיפור התהליכים הפוטו-כימיים.
