אוריאה (שתנן בעברית) הוא חומר הידוע בעיקר בשל השימוש הנרחב שלו כדשן בחקלאות וכחומר גלם לתעשיית הפלסטיקה, ומופק במערכות ביולוגיות מפירוק חלבונים. כיום הוא תופס מקום הולך וגדל גם בחזית הטכנולוגיה של אנרגיה מתחדשת, במיוחד כמקור דלק פוטנציאלי ויעיל להפקת חשמל או מימן בהתקנים בתאי דלק ואלקטרוליזרים.
תהליך הייצור התעשייתי המסורתי של אוריאה טומן בחובו מחיר סביבתי כבד. מאז המאה ה-19, ייצור החומר מתבסס על תהליך בוש-מייזר, הכולל שלב מקדים של ייצור אמוניה. תהליכים אלו דורשים תנאים קפדניים וקיצוניים של לחץ אדיר המגיע לכ-200 אטמוספרות וטמפרטורות גבוהות של כ-400 מעלות צלזיוס. כתוצאה מכך, תעשייה זו צורכת בין אחוז אחד לשלושה אחוזים מסך צריכת האנרגיה העולמית השנתית, ואחראית לכ-1.4 אחוזים מכלל פליטות הפחמן בעולם.
כדי להתמודד עם פליטות הפחמן הקהילה המדעית מחפשת חלופות ירוקות המבוססות על אלקטרוקטליזה, ליצירת כלכלת אנרגיה מעגלית. הרעיון הוא להשתמש באנרגיה מתחדשת כדי להניע תגובות כימיות בתנאי סביבה מתונים לייצור אוריאה בשיטות אלקטרוכימיות המשלבות שימוש בפחמן דו-חמצני ובניטראטים כחומרי הגלם.
שימוש בניטראטים עדיף על פני שימוש בחנקן גזי משום שגז חנקן מתאפיין במסיסות נמוכה במים ובמבנה מוליקולרי שבו קשר משולש חזק מאוד שקשה לפרק (אנרגיית פירוק של כ-941 קילוג'אול למול). מנגד, לניטראטים קשרים חלשים יותר (כ-204 קילוג'אול למול) ומסיסותם במים גבוהה משמעותית. כמו כן ניטראטים עצמם מוגדרים כמקור זיהום בתעשייה ובמי השתייה בריכוזים נמוכים. אתגר מרכזי בתהליך אלקטרוכימי זה הוא "תחרות" על האלקטרונים מצד תגובת ייצור המימן המתרחשת במקביל, אשר מפחיתה באופן דרסטי את הסלקטיביות ואת היעילות של ייצור האוריאה.
הדוקטורנט לאנדי דרדה וצוות חוקרים בהובלת פרופ' אלכס שכטר מהמחלקה למדעי הכימיה באוניברסיטת אריאל, מציגים פתרון קטליטי מתקדם לבעיה מורכבת זו במאמר מחקרי שפורסם לאחרונה בכתב העת המדעי Chemical Engineering Journal. צוות החוקרים פיתח זרז (קטליזטור) המבוסס על נחושת וגופרית במבנה של Cu2S/CuS, המאפשר יצירה מהירה ובסלקטיבית גבוהה של אוריאה. הזרז הייחודי מצליח לכוון את התגובה האלקטרוכימית כך שאטומי הפחמן והחנקן יתחברו ביעילות (תהליך המכונה C-N coupling) תוך דיכוי משמעותי של תגובת הלוואי יוצרת המימן.
המורפולוגיה של חלקיקי הזרז במקרוסופיית אלקטרונים. בתמונה נראה המבנה הגבישי של סידור האטומים בגביש (תמונה מצד שמאל למטה עם נקודות אור על רקע שחור) של הזרז
(צילום: Landi Dardha)
דשן אוריאה
(צילום: Abhishek Chinnappa/Getty Images)
"חיזור אלקטרוכימי בו-זמני של ניטראטים ופחמן דו-חמצני מייצג גישה בעל תועלת כפולה" מסביר פרופ' שכטר. "אנו מציעים נתיב בר-קיימא לייצור אוריאה ירוקה, ובמקביל מתמודדים עם דאגות סביבתיות הקשורות לזיהום ניטראטים ופליטות פחמן דו-חמצני. פיתחנו זרז הפועל בתנאי סביבה רגילים, ומדגים מערכת פורצת דרך, שפותחת נתיבים חדשים לטכנולוגיות של קיבוע חנקן וניצול פחמן באופן ידידותי לסביבה".
לדברי פרופ' שכטר, חומרים מבוססי נחושת נחשבים למועמדים אידיאליים בשל התצורה האלקטרונית הייחודית של הנחושת, המאפשרת לה לשנות מצבי חמצון ולהיקשר בצורה נוחה גם לפחמן וגם לחנקן. "עם זאת, נחושת טהורה מעודדת את תגובת ייצור המימן. הפתרון שנמצא טמון בשילוב הגופרית בתוך המבנה הגבישי התלת-ממדי של הזרז", אומר פרופ' שכטר. "האלקטרו שליליות הגבוהה של הגופרית משנה את המבנה האלקטרוני של הנחושת, יוצרת אתרים פעילים בפני השטח של הזרז המשפרים את ספיחת הפחמן הדו-חמצני וחיזורו ובאתר הפעיל הסמוך מתבצעת תגובת קיבוע החנקן לקראת צימוד של השניים, ויחד עם זאת מדכאת את ייצור המימן על ידי קשירת אטומי המימן שמקורם במים למולקולות המגיבות. הזרז שפיתחנו נחשב לזול וזמין, ומהווה חלופה בת-קיימא תעשייתית לזרזים יקרים המבוססים על מתכות אצילות".
שימוש בדשן אוריאה
(צילום: Carlos Garcia Rawlins/Reuters)
תוצאות המעבדה היו מרשימות ויוצאות דופן. הזרז הכימי במערכת עבד ביעילות אדירה: 80% מזרם החשמל שהושקע בתהליך הלך ישירות אל המטרה הרצויה – ייצור אוריאה. משמעות הדבר היא שיש מעט מאוד "בזבוז" של אנרגיה על תגובות צדדיות לא רצויות. כדי להבין איך בדיוק התהליך הזה עובד, השתמשו המדענים במכשירים שאפשרו להם לראות שלב אחר שלב כיצד תוצרי הביניים של מולקולות המכילות פחמן וחנקן שמשמשים כאבני בניין, נוצרים ומתחברים ממש בתהליך ההיווצרות של האוריאה. בנוסף, בניסויי ביקורת צולבים הראו החוקרים, תוך שימוש בשיטות מתקדמות של סימון בחלקיקים איזוטופיים, שמקור החנקן באוריאה הגיע מעל לכל ספק ישירות מאותם חומרי גלם שהוכנסו למים תחילה, ולא משום מקור אחר.
פרופ' אלכס שכטרצילום: באדיבות המצולםפיתוח חלוצי זה חושף גישה חדשנית שפותחת נתיבים חדשים עבור טכנולוגיות בנות-קיימא לקיבוע חנקן ולניצול יעיל של פחמן דו-חמצני, באופן מעגלי. כך חומרים הנחשבים כיום למזהמים סביבתיים בעייתיים עשויים להפוך בעתיד הקרוב למשאב מרכזי ובעל ערך בייצור אקולוגי מבוזר של דשנים ישירות בשדה ללא מגע יד אדם.
