املأ النموذج أدناه وسنرسل إليك عبر البريد الإلكتروني نسخة PDF من "تحسينات التكنولوجيا الجديدة لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود سائل"
ثاني أكسيد الكربون (CO2) هو ناتج احتراق الوقود الأحفوري، وهو أكثر غازات الدفيئة شيوعًا، ويمكن تحويله مجددًا إلى وقود مفيد بطريقة مستدامة. إحدى الطرق الواعدة لتحويل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى مواد خام للوقود هي عملية تُسمى الاختزال الكهروكيميائي. ولكن لكي تكون هذه العملية مجدية تجاريًا، يجب تحسينها لاختيار أو إنتاج المزيد من المنتجات الغنية بالكربون المرغوبة. الآن، وكما ورد في مجلة "نيتشر إنرجي"، طوّر مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) طريقة جديدة لتحسين سطح محفز النحاس المستخدم في التفاعل المساعد، مما يزيد من انتقائية العملية.
قال أليكسيس، كبير العلماء في قسم العلوم الكيميائية بمختبر بيركلي وأستاذ الهندسة الكيميائية بجامعة كاليفورنيا، بيركلي: "مع أننا نعلم أن النحاس هو أفضل محفز لهذا التفاعل، إلا أنه لا يوفر انتقائية عالية للمنتج المطلوب". وأضاف سبيل: "وجد فريقنا أنه يمكن استخدام البيئة المحلية للمحفز لإجراء حيل مختلفة لتوفير هذا النوع من الانتقائية".
في دراسات سابقة، حدد الباحثون ظروفًا دقيقة لتوفير أفضل بيئة كهربائية وكيميائية لإنتاج منتجات غنية بالكربون ذات قيمة تجارية. إلا أن هذه الظروف تتعارض مع الظروف الطبيعية في خلايا الوقود التقليدية التي تستخدم مواد موصلة قائمة على الماء.
لتحديد التصميم المناسب لبيئة خلايا الوقود المائية، وفي إطار مشروع مركز ابتكار الطاقة التابع لتحالف أشعة الشمس السائلة التابع لوزارة الطاقة، لجأ بيل وفريقه إلى طبقة رقيقة من الأيونومر، تسمح بمرور جزيئات مشحونة معينة (أيونات)، مع استبعاد أيونات أخرى. وبفضل خصائصها الكيميائية الانتقائية للغاية، فهي مناسبة بشكل خاص لإحداث تأثير قوي على البيئة الدقيقة.
اقترح تشانيون كيم، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة بيل والمؤلف الأول للورقة البحثية، طلاء سطح محفزات النحاس باثنين من الأيونومرات الشائعة، نافيون وسستاينيون. افترض الفريق أن القيام بذلك من شأنه أن يُغير البيئة المحيطة بالمحفز - بما في ذلك الرقم الهيدروجيني وكمية الماء وثاني أكسيد الكربون - بطريقة ما لتوجيه التفاعل لإنتاج نواتج غنية بالكربون يمكن تحويلها بسهولة إلى مواد كيميائية مفيدة. المنتجات والوقود السائل.
وضع الباحثون طبقة رقيقة من كل أيونومر، وطبقة مزدوجة من أيونومرين على غشاء نحاسي مدعوم بمادة بوليمرية لتشكيل غشاء، يُمكنهم إدخاله بالقرب من أحد طرفي خلية كهروكيميائية على شكل يد. عند حقن ثاني أكسيد الكربون في البطارية وتطبيق الجهد عليها، قاموا بقياس التيار الكلي المتدفق عبرها. ثم قاموا بقياس الغاز والسائل المتجمعين في الخزان المجاور أثناء التفاعل. في حالة الطبقتين، وجدوا أن المنتجات الغنية بالكربون تُمثل 80% من الطاقة المستهلكة في التفاعل، وهي نسبة أعلى من 60% في الحالة غير المطلية.
قال بيل: "يوفر هذا الطلاء الساندويتش أفضل ما في العالمين: انتقائية عالية للمنتج ونشاط عالٍ". ولا يقتصر سطح الطبقة المزدوجة على المنتجات الغنية بالكربون فحسب، بل يُولّد أيضًا تيارًا قويًا في الوقت نفسه، مما يُشير إلى زيادة النشاط.
استنتج الباحثون أن تحسن الاستجابة ناتج عن تركيز ثاني أكسيد الكربون العالي المتراكم في الطلاء فوق النحاس مباشرةً. إضافةً إلى ذلك، فإن الجزيئات المشحونة سلبًا التي تتراكم في المنطقة بين الأيونومرين تُنتج حموضة محلية أقل. يُعوّض هذا المزيج تقلبات التركيز التي عادةً ما تحدث في غياب أغشية الأيونومر.
لتحسين كفاءة التفاعل بشكل أكبر، لجأ الباحثون إلى تقنية مثبتة سابقًا لا تتطلب غشاء أيونومر كطريقة أخرى لزيادة ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة: الجهد النبضي. بتطبيق الجهد النبضي على طلاء الأيونومر مزدوج الطبقة، حقق الباحثون زيادة بنسبة 250% في المنتجات الغنية بالكربون مقارنةً بالنحاس غير المطلي والجهد الساكن.
مع أن بعض الباحثين يُركزون جهودهم على تطوير محفزات جديدة، إلا أن اكتشاف المحفز لا يأخذ في الاعتبار ظروف التشغيل. يُعدّ التحكم في بيئة سطح المحفز أسلوبًا جديدًا ومختلفًا.
قال آدم ويبر، كبير المهندسين في مختبرات بيركلي والمؤلف المشارك للورقتين البحثيتين: "لم نبتكر محفزًا جديدًا كليًا، بل استخدمنا فهمنا لحركية التفاعلات، واسترشدنا بهذه المعرفة في التفكير في كيفية تغيير بيئة موقع المحفز".
الخطوة التالية هي توسيع إنتاج المحفزات المطلية. تضمنت التجارب الأولية لفريق مختبر بيركلي أنظمة نماذج مسطحة صغيرة، كانت أبسط بكثير من الهياكل المسامية واسعة المساحة المطلوبة للتطبيقات التجارية. قال بيل: "ليس من الصعب وضع طلاء على سطح مستوٍ. لكن الطرق التجارية قد تتضمن طلاء كرات نحاسية صغيرة". تصبح إضافة طبقة ثانية من الطلاء أمرًا صعبًا. أحد الاحتمالات هو خلط الطلاءين وترسيبهما معًا في مذيب، على أمل أن ينفصلا عند تبخر المذيب. ماذا لو لم ينفصلا؟ استنتج بيل: "نحن بحاجة فقط إلى أن نكون أكثر ذكاءً". راجع كيم سي، بوي جيه سي، لو إكس وآخرين. بيئة ميكروية مخصصة للمحفز للاختزال الكهربائي لثاني أكسيد الكربون إلى منتجات متعددة الكربون باستخدام طلاء أيونومر مزدوج الطبقة على النحاس. نات إنرجي. 2021؛6(11):1026-1034. دوى:10.1038/s41560-021-00920-8
هذه المقالة مُقتبسة من المصدر التالي. ملاحظة: قد تكون المادة قد حُرر طولها ومحتواها. لمزيد من المعلومات، يُرجى التواصل مع المصدر المذكور.
وقت النشر: ٢٢ نوفمبر ٢٠٢١
