تقدم دراسة أجرتها جامعة نورث وسترن محفزًا فعالاً من حيث التكلفة مصنوعًا من الموليبدينوم وسكر المائدة الذي يحول ثاني أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون، مما يوفر طريقة قابلة للتطبيق لتحويل الكربون المحتجز إلى منتجات مفيدة مثل سلائف الوقود.
يمكن أن يكون المحفز الجديد حلاً محتملاً لاستخدام الكربون المحتجز.
محفز جديد مصنوع من معدن وفير وغير مكلف وسكر المائدة الشائع لديه القدرة على تدمير ثاني أكسيد الكربون (CO2) غاز.
وفي دراسة جديدة من جامعة نورث وسترن، نجح المحفز في تحويل ثاني أكسيد الكربون2 إلى أول أكسيد الكربون (CO)، وهو لبنة بناء مهمة لإنتاج مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية المفيدة. عندما يحدث التفاعل في وجود الهيدروجين، على سبيل المثال CO2 ويتم تحويل الهيدروجين إلى غاز اصطناعي (أو غاز صناعي)، وهو مادة أولية قيمة للغاية لإنتاج الوقود الذي يمكن أن يحل محل البنزين.
ومع التقدم الأخير في تكنولوجيات احتجاز الكربون، أصبح احتجاز الكربون بعد الاحتراق خيارا معقولا للمساعدة في مكافحة أزمة تغير المناخ العالمية. ولكن كيفية إدارة الكربون المحتجز يظل سؤالاً مفتوحًا. يمكن أن يوفر المحفز الجديد حلاً للتخلص من غازات الدفيئة القوية عن طريق تحويلها إلى منتج أكثر قيمة.
وستنشر الدراسة في عدد 3 مايو من المجلة علم.
“حتى لو توقفنا عن انبعاث ثاني أكسيد الكربون2 الآن، سيظل غلافنا الجوي يحتوي على فائض من ثاني أكسيد الكربون2 وقال ميلاد خوشوئي، من جامعة نورثويسترن، والذي شارك في قيادة الدراسة، “إنها بسبب الأنشطة الصناعية في القرون الماضية”. “لا يوجد حل واحد لهذه المشكلة. يجب علينا تقليل ثاني أكسيد الكربون2 البث و العثور على طرق جديدة لتقليل ثاني أكسيد الكربون2 التركيز موجود بالفعل في الغلاف الجوي. وعلينا أن نستفيد من كل الحلول الممكنة.
يوضح هذا الرسم البياني العملية الكاملة لإنشاء المحفز واستخدامه لتحويل ثاني أكسيد الكربون. ائتمان: ميلاد خوشوعي
“نحن لسنا أول مجموعة بحثية تقوم بتحويل ثاني أكسيد الكربون2 فرحة، من جامعة نورث وسترن، والمؤلف الرئيسي للدراسة: “في منتج آخر”. “ومع ذلك، لكي تكون العملية عملية حقًا، فإنها تتطلب عامل تمكين يلبي العديد من المعايير الحاسمة: القدرة على تحمل التكاليف والاستقرار وسهولة الإنتاج وقابلية التوسع. ومن الضروري تحقيق التوازن بين هذه العناصر الأربعة. ولحسن الحظ، فإن مادتنا تتفوق في تلبية هذه المتطلبات.
فرحة، خبيرة في تقنيات احتجاز الكربون، هي أستاذة الكيمياء لدى تشارلز إي وإيما إتش موريسون في كلية واينبرغ للفنون والعلوم في نورث وسترن. بعد بدء هذا العمل بدرجة دكتوراه. خوشوئي مرشح في جامعة كالجاري في كندا، وهو الآن باحث ما بعد الدكتوراه في مختبر فرحة.
حلول المخزن
ويكمن سر المحفز الجديد في كربيد الموليبدينوم، وهي مادة خزفية شديدة الصلابة. على عكس العديد من المحفزات الأخرى التي تتطلب معادن باهظة الثمن، مثل البلاتين أو البلاديوم، فإن الموليبدينوم معدن غير ثمين وغير ثمين ومتوفر بكثرة على الأرض.
لتحويل الموليبدينوم إلى كربيد الموليبدينوم، احتاج العلماء إلى مصدر للكربون. لقد اكتشفوا خيارًا رخيصًا في مكان غير متوقع: مخزن المؤن. ومن المثير للدهشة أن السكر ــ السكر الأبيض المحبب الموجود في كل منزل تقريبا ــ كان مصدرا مناسبا وغير مكلف لذرات الكربون.
وقال خوشوعي: “كل يوم كنت أحاول تصنيع هذه المواد، كنت أحضر السكر إلى المختبر من المنزل”. “بالمقارنة مع الفئات الأخرى من المواد المستخدمة عادة في المحفزات، فإن منتجاتنا رخيصة بشكل لا يصدق.”
انتقائية بنجاح ومستقرة
عند اختبار المحفز، انبهرت فرحة وخوشوعي ومعاونوهم بنجاحه. تعمل في الضغوط المحيطة ودرجات الحرارة المرتفعة (300 إلى 600 درجة درجة مئوية) ، يقوم المحفز بتحويل ثاني أكسيد الكربون2 في CO مع انتقائية 100٪.
تعني الانتقائية العالية أن المحفز يعمل فقط على ثاني أكسيد الكربون2 دون إزعاج المواد المحيطة بها. وبعبارة أخرى، يمكن للصناعة تطبيق المحفز على كميات كبيرة من الغاز المحتجز واستهداف ثاني أكسيد الكربون بشكل انتقائي فقط.2. كما ظل المحفز مستقرًا بمرور الوقت، مما يعني أنه ظل نشطًا ولم يتحلل.
وقال فرحة: “في الكيمياء، ليس من غير المألوف أن يفقد المحفز انتقائيته بعد بضع ساعات”. “ولكن بعد 500 ساعة في ظروف قاسية، لم تتغير انتقائيتها.”
وهذا ملحوظ بشكل خاص لأن CO2 هو جزيء مستقر وعنيد.
“تحويل ثاني أكسيد الكربون2 قال خوشوئي: “الأمر ليس سهلاً”. “كو2 هو جزيء مستقر كيميائيا، وكان علينا التغلب على هذا الاستقرار الذي يتطلب الكثير من الطاقة.
نهج ترادفي لتنظيف الكربون
يعد تطوير المواد اللازمة لاحتجاز الكربون محورًا رئيسيًا لمختبر فرحة. تقوم مجموعته بتطوير الأطر المعدنية العضوية (وزارة المالية)، وهي فئة من المواد عالية المسامية بحجم نانومتر والتي تشبهها فرحة بـ “إسفنجات الاستحمام المتطورة والقابلة للبرمجة”. تستكشف فرحة الأطر العضوية المعدنية لمختلف التطبيقات بما في ذلك استخراج ثاني أكسيد الكربون2 مباشرة من الجو.
يقول فرحة الآن إن الأطر العضوية المعدنية والمحفز الجديد يمكن أن يعملا معًا للعب دور في احتجاز الكربون وعزله.
واقترح فرحة: “في مرحلة ما، يمكننا استخدام الأطر العضوية المعدنية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون، يليها محفز لتحويله إلى شيء أكثر فائدة”. “إن النظام الترادفي الذي يستخدم مادتين منفصلتين لخطوتين متتابعتين يمكن أن يكون هو الطريق إلى الأمام.”
“قد يساعدنا هذا في الإجابة على السؤال: ماذا نفعل بثاني أكسيد الكربون المحتجز؟2؟” وأضاف خوشوعي. “الخطة الآن هي عزلها تحت الأرض. لكن الخزانات الموجودة تحت الأرض يجب أن تلبي العديد من المتطلبات من أجل تخزين ثاني أكسيد الكربون بشكل آمن ودائم.2. أردنا تصميم حل أكثر عالمية، يمكن استخدامه في كل مكان مع إضافة قيمة اقتصادية.
المرجع: “محفز كربيد الموليبدينوم المكعب النشط والمستقر لتفاعل التحول العكسي بين الماء والغاز عند درجات حرارة عالية” بقلم ميلاد أحمدي خوشوي، شيجون وانغ، جيراردو فيتالي، فيليب فورماليك، كينت أو. كيرليكوفالي، راندال كيو سنور، بيدرو بيريرا- ألماو وعمر ك. فرحة، 2 مايو 2024، علم.
دوى: 10.1126/science.adl1260
تم تمويل الدراسة من قبل وزارة الطاقة الأمريكية، والمؤسسة الوطنية للعلوم، ومجلس أبحاث العلوم الطبيعية والهندسة في كندا.
