تقنية جديدة تُحسّن عملية تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود سائل

املأ النموذج أدناه وسنرسل إليك عبر البريد الإلكتروني نسخة PDF من "تحسينات تكنولوجية جديدة لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود سائل".
ثاني أكسيد الكربون (CO2) هو ناتج احتراق الوقود الأحفوري، وهو أكثر غازات الدفيئة شيوعًا، ويمكن تحويله إلى وقود مفيد بطريقة مستدامة. إحدى الطرق الواعدة لتحويل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى وقود هي عملية تُسمى الاختزال الكهروكيميائي. ولكن لكي تكون هذه العملية مجدية تجاريًا، يجب تحسينها لاختيار أو إنتاج منتجات غنية بالكربون أكثر. والآن، كما ورد في مجلة Nature Energy، طوّر مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) طريقة جديدة لتحسين سطح محفز النحاس المستخدم في التفاعل المساعد، مما يزيد من انتقائية العملية.
قال أليكسيس سبيل، العالم البارز في قسم العلوم الكيميائية بمختبر بيركلي وأستاذ الهندسة الكيميائية في جامعة كاليفورنيا، بيركلي: "على الرغم من أننا نعلم أن النحاس هو أفضل محفز لهذا التفاعل، إلا أنه لا يوفر انتقائية عالية للمنتج المطلوب. وقد وجد فريقنا أنه يمكن استخدام البيئة المحيطة بالمحفز للقيام بتقنيات 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 التي تحدث في خلايا الوقود التقليدية التي تستخدم مواد موصلة مائية.
بهدف تحديد التصميم الأمثل لبيئة الماء في خلايا الوقود، وفي إطار مشروع مركز ابتكار الطاقة التابع لتحالف "ليكويد صن شاين" بوزارة الطاقة، لجأ بيل وفريقه إلى طبقة رقيقة من الأيونومر، تسمح بمرور جزيئات مشحونة معينة (أيونات) وتمنع مرور أيونات أخرى. وبفضل خصائصها الكيميائية الانتقائية العالية، تُعدّ هذه الأيونات مناسبة بشكل خاص لإحداث تأثير قوي على البيئة الدقيقة.
اقترحت تشانيون كيم، الباحثة ما بعد الدكتوراه في مجموعة بيل والمؤلفة الأولى للورقة البحثية، تغطية سطح محفزات النحاس بمادتين أيونوميرتين شائعتين، هما نافيون وسستينيون. افترض الفريق أن هذه العملية ستغير البيئة المحيطة بالمحفز - بما في ذلك درجة الحموضة وكمية الماء وثاني أكسيد الكربون - بطريقة ما لتوجيه التفاعل نحو إنتاج منتجات غنية بالكربون يمكن تحويلها بسهولة إلى مواد كيميائية مفيدة ووقود سائل.
قام الباحثون بتطبيق طبقة رقيقة من كل أيونومر، وطبقة مزدوجة من أيونومرين، على غشاء نحاسي مدعوم بمادة بوليمرية لتشكيل غشاء يمكنهم إدخاله بالقرب من أحد طرفي خلية كهروكيميائية على شكل يد. عند حقن ثاني أكسيد الكربون في البطارية وتطبيق الجهد الكهربائي، قاسوا التيار الكلي المتدفق عبرها. ثم قاسوا كمية الغاز والسائل المتجمعة في الخزان المجاور أثناء التفاعل. في حالة الطبقتين، وجدوا أن المنتجات الغنية بالكربون تمثل 80% من الطاقة المستهلكة في التفاعل، وهي نسبة أعلى من 60% في حالة عدم وجود طبقة.
قال بيل: "يوفر هذا الطلاء المزدوج أفضل ما في العالمين: انتقائية عالية للمنتج ونشاط عالٍ". لا يقتصر دور السطح ذي الطبقة المزدوجة على كونه مناسبًا للمنتجات الغنية بالكربون فحسب، بل إنه يولد أيضًا تيارًا قويًا في الوقت نفسه، مما يشير إلى زيادة في النشاط.
خلص الباحثون إلى أن الاستجابة المحسّنة كانت نتيجةً لتركيز ثاني أكسيد الكربون العالي المتراكم في الطلاء مباشرةً فوق النحاس. إضافةً إلى ذلك، فإن الجزيئات سالبة الشحنة التي تتراكم في المنطقة بين طبقتي الأيونومر تُنتج حموضةً موضعيةً أقل. هذا المزيج يُعوّض التفاوتات في التركيز التي تحدث عادةً في غياب طبقات الأيونومر.
بهدف تحسين كفاءة التفاعل، لجأ الباحثون إلى تقنية مُثبتة سابقًا لا تتطلب طبقة أيونومر، كطريقة أخرى لزيادة ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة: الجهد النبضي. بتطبيق جهد نبضي على طبقة الأيونومر المزدوجة، حقق الباحثون زيادة بنسبة ٢٥٠٪ في المنتجات الغنية بالكربون مقارنةً بالنحاس غير المطلي والجهد الثابت.
على الرغم من أن بعض الباحثين يركزون جهودهم على تطوير محفزات جديدة، إلا أن اكتشاف المحفز لا يأخذ في الحسبان ظروف التشغيل. ويُعدّ التحكم في بيئة سطح المحفز أسلوبًا جديدًا ومختلفًا.
قال آدم ويبر، كبير المهندسين في مختبرات بيركلي والمؤلف المشارك للأوراق البحثية: "لم نبتكر محفزًا جديدًا كليًا، بل استخدمنا فهمنا لحركية التفاعلات، واستعنّا بهذه المعرفة لتوجيه تفكيرنا في كيفية تغيير بيئة موقع المحفز".
تتمثل الخطوة التالية في توسيع نطاق إنتاج المحفزات المطلية. وقد تضمنت التجارب الأولية لفريق مختبر بيركلي أنظمة نموذجية مسطحة صغيرة، وهي أبسط بكثير من الهياكل المسامية واسعة المساحة المطلوبة للتطبيقات التجارية. يقول بيل: "ليس من الصعب تطبيق طلاء على سطح مستوٍ، لكن الطرق التجارية قد تتطلب طلاء كرات نحاسية صغيرة". ويُصبح إضافة طبقة طلاء ثانية أمرًا صعبًا. أحد الاحتمالات هو خلط الطلاءين وترسيبهما معًا في مذيب، على أمل أن ينفصلا عند تبخر المذيب. ماذا لو لم ينفصلا؟ يخلص بيل إلى القول: "علينا فقط أن نكون أكثر ذكاءً". انظر إلى: Kim C, Bui JC, Luo X وآخرون. بيئة دقيقة مخصصة للمحفز للاختزال الكهربائي لثاني أكسيد الكربون إلى منتجات متعددة الكربون باستخدام طلاء أيونومر مزدوج الطبقة على النحاس. Nat Energy. 2021؛ 6(11): 1026-1034. doi:10.1038/s41560-021-00920-8
هذه المقالة مقتبسة من المصدر التالي. ملاحظة: قد يكون تم تعديل المحتوى والاختصار. لمزيد من المعلومات، يرجى التواصل مع المصدر المذكور.