علوم وتكنولوجيا
دراسة جديدة تكشف طرقا نظيفة لتحويل الغازات الدفيئة إلى وقود
لندن- عربي21
25-May-24
12:05 PM
شارك
قال الباحث في جامعة شيكاغو الأمريكية، بول دايلينغ، إن العلماء الذين يتطلعون إلى تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود نظيف ومواد كيميائية مفيدة غالبا ما ينتجون غاز الهيدروجين والكربونات كمنتجات ثانوية غير مرغوب فيها، إلا أن ورقة بحثية جديدو اكتشفت طريقة أنظف لتحويل الغازات الدفيئة.
وأشار الباحث في تقرير نشره موقع "phys" المعني بالعلوم والتكنولوجيا، وترجمته "عربي21"، إلى أن "ثاني أكسيد الكربون هو أحد الغازات الدفيئة، وهو المسؤول بمفرده عن 78% من التغير في توازن الطاقة في الغلاف الجوي للأرض بين عامي 1990 و2022".
ويدخل ثاني أكسيد الكربون، وهو نتيجة ثانوية لحرق الوقود الأحفوري، إلى الغلاف الجوي من عوادم السيارات ومحطات الطاقة التي تعمل بالفحم. وحتى بعض موارد الطاقة المتجددة تنتج كمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون، على الرغم من أنها تشكل جزءا صغيرا من الكمية التي ينتجها الفحم والغاز الطبيعي.
هذا الجزيء، في جوهره، هو مجرد ترتيب لذرة كربون واحدة وذرتين أكسجين يمكن إعادة تنظيمهما من خلال عملية تسمى تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي (CO2R) إلى وقود نظيف ومواد كيميائية مفيدة. لكن العملية تتم غالبا بخسارة، حيث تقوم العمليات المتنافسة بسحب الذرات في اتجاهات غير مرغوب فيها ما يؤدي إلى ظهور منتجات ثانوية غير مرغوب فيها، وفقا للتقرير.
في ورقة بحثية نُشرت يوم الجمعة في Nature Catalysis، حدد باحثون من مختبر Amanchukwu التابع لكلية بريتزكر للهندسة الجزيئية طريقة لمعالجة جزيئات الماء لجعل ثاني أكسيد الكربون أكثر كفاءة، مع الهدف النهائي المتمثل في إنشاء حلقة طاقة نظيفة.
ومن خلال طريقتهم الجديدة، تمكن الفريق من إجراء عملية تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي بكفاءة تقارب الـ100% في ظل ظروف حمضية خفيفة، باستخدام الذهب أو الزنك كمحفزات للتفاعل.
وقال المرشح لشهادة الدكتوراه في كلية برتزكر ريجي غوميز، المؤلف الأول للورقة الجديدة: "تخيل أنه يمكننا الحصول على كهرباء خضراء من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، ومن ثم استخدام هذه الكهرباء لتحويل أي ثاني أكسيد الكربون إلى وقود مرة أخرى".
وأضاف أن تفكيك الجزيء كيميائيا يشبه الضربة الأولى في لعبة البلياردو. يختفي الترتيب السابق وتنتشر الكرات عبر الطاولة، وتستقر في مجموعات جديدة - ليست دائما تلك التي يقصدها اللاعب.
وبالمثل، يستخدم الباحثون الذين يقومون بعملية تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي الكهرباء والماء لتفكيك وإعادة ترتيب غازات الدفيئة الضارة. يؤدي هذا إلى إرسال ذرات الكربون والأكسجين من ثاني أكسيد الكربون عبر الطاولة مع ذرات الهيدروجين من الماء.
إذا عملت على النحو المنشود، فإن الذرات تشكل جزيئات أخرى مرغوبة أكثر يمكن استخدامها كوقود أو مواد كيميائية، بحسب التقرير.
ولكن مع تشتت الذرات، فإنه غالبا ما تتشكل أزواج مستقرة من ذرتي هيدروجين، وهي عملية تسمى تفاعل تطور الهيدروجين (HER). وهذا يجعل ثاني أكسيد الكربون أقل كفاءة، حيث إن الطاقة والذرات التي تصبح غاز الهيدروجين لا يمكن أن تكون جزءا من الجزيئات التي كان العلماء يحاولون تكوينها.
حتى في الكميات الصغيرة من الماء، فإن تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي يتنافس مع تفاعل تطور الهيدروجين.
وقام مختبر أمانشوكو - الذي يشتهر بأبحاثه في مجال البطاريات - بتطبيق رؤى مستمدة من البطاريات المائية على المشكلة، مفترضا أن التحكم في المياه باستخدام المذيبات العضوية يمكن أن يوفر حلا، وفقا للتقرير.
يعتمد كل من أسلوب تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي وتفاعل تطور الهيدروجين على الماء كمتبرع بالبروتون. وباستخدام المذيبات العضوية والمضافات الحمضية، تمكن الفريق من ضبط سلوك الماء، وإيجاد النقطة المثالية حيث تبرع بالكمية المناسبة من البروتونات لإنشاء الجزيئات المقصودة، وليس غاز الهيدروجين والمواد الأخرى غير المرغوب فيها مثل الكربونات.
وقال تشيبويز أمانشوكو، الأستاذ المساعد في الهندسة الجزيئية: "في الكيمياء العامة، نعلم أن ثاني أكسيد الكربون يتفاعل مع الهيدروكسيد لتكوين الكربونات. وهذا غير مرغوب فيه لأنه يستنزف الجزيء الذي نريد أن يكون له قيمة".
تعتمد العديد من الطرق الأكثر فعالية لتنفيذ تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي على المعادن الثمينة.
وقال غوميز: "إن البلاتين والفضة والذهب، لأغراض البحث، تعتبر محفزات عظيمة. إنها مواد مستقرة للغاية. ولكن عندما تفكر في التطبيقات الصناعية، فإنها تصبح باهظة التكلفة".
ومن خلال هندسة الإلكتروليت، يمكن للطريقة الجديدة الحصول على نتائج مماثلة باستخدام مواد أرخص وأكثر وفرة.
وقال أمانشوكو: "في الوقت الحالي، أفضل طريقة للقيام بذلك كهروكيميائيا في درجة حرارة الغرفة هي استخدام المعادن الثمينة. يمكن للذهب والفضة منع تفاعل تطور الهيدروجين قليلا. بسبب اكتشافنا، يمكننا الآن استخدام معدن موجود بكثرة في الأرض، وهو الزنك، لأن لدينا الآن طريقة منفصلة للتحكم في الماء".
وأشار الباحث في تقرير نشره موقع "phys" المعني بالعلوم والتكنولوجيا، وترجمته "عربي21"، إلى أن "ثاني أكسيد الكربون هو أحد الغازات الدفيئة، وهو المسؤول بمفرده عن 78% من التغير في توازن الطاقة في الغلاف الجوي للأرض بين عامي 1990 و2022".
ويدخل ثاني أكسيد الكربون، وهو نتيجة ثانوية لحرق الوقود الأحفوري، إلى الغلاف الجوي من عوادم السيارات ومحطات الطاقة التي تعمل بالفحم. وحتى بعض موارد الطاقة المتجددة تنتج كمية صغيرة من ثاني أكسيد الكربون، على الرغم من أنها تشكل جزءا صغيرا من الكمية التي ينتجها الفحم والغاز الطبيعي.
هذا الجزيء، في جوهره، هو مجرد ترتيب لذرة كربون واحدة وذرتين أكسجين يمكن إعادة تنظيمهما من خلال عملية تسمى تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي (CO2R) إلى وقود نظيف ومواد كيميائية مفيدة. لكن العملية تتم غالبا بخسارة، حيث تقوم العمليات المتنافسة بسحب الذرات في اتجاهات غير مرغوب فيها ما يؤدي إلى ظهور منتجات ثانوية غير مرغوب فيها، وفقا للتقرير.
في ورقة بحثية نُشرت يوم الجمعة في Nature Catalysis، حدد باحثون من مختبر Amanchukwu التابع لكلية بريتزكر للهندسة الجزيئية طريقة لمعالجة جزيئات الماء لجعل ثاني أكسيد الكربون أكثر كفاءة، مع الهدف النهائي المتمثل في إنشاء حلقة طاقة نظيفة.
ومن خلال طريقتهم الجديدة، تمكن الفريق من إجراء عملية تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي بكفاءة تقارب الـ100% في ظل ظروف حمضية خفيفة، باستخدام الذهب أو الزنك كمحفزات للتفاعل.
وقال المرشح لشهادة الدكتوراه في كلية برتزكر ريجي غوميز، المؤلف الأول للورقة الجديدة: "تخيل أنه يمكننا الحصول على كهرباء خضراء من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، ومن ثم استخدام هذه الكهرباء لتحويل أي ثاني أكسيد الكربون إلى وقود مرة أخرى".
وأضاف أن تفكيك الجزيء كيميائيا يشبه الضربة الأولى في لعبة البلياردو. يختفي الترتيب السابق وتنتشر الكرات عبر الطاولة، وتستقر في مجموعات جديدة - ليست دائما تلك التي يقصدها اللاعب.
وبالمثل، يستخدم الباحثون الذين يقومون بعملية تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي الكهرباء والماء لتفكيك وإعادة ترتيب غازات الدفيئة الضارة. يؤدي هذا إلى إرسال ذرات الكربون والأكسجين من ثاني أكسيد الكربون عبر الطاولة مع ذرات الهيدروجين من الماء.
إذا عملت على النحو المنشود، فإن الذرات تشكل جزيئات أخرى مرغوبة أكثر يمكن استخدامها كوقود أو مواد كيميائية، بحسب التقرير.
ولكن مع تشتت الذرات، فإنه غالبا ما تتشكل أزواج مستقرة من ذرتي هيدروجين، وهي عملية تسمى تفاعل تطور الهيدروجين (HER). وهذا يجعل ثاني أكسيد الكربون أقل كفاءة، حيث إن الطاقة والذرات التي تصبح غاز الهيدروجين لا يمكن أن تكون جزءا من الجزيئات التي كان العلماء يحاولون تكوينها.
حتى في الكميات الصغيرة من الماء، فإن تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي يتنافس مع تفاعل تطور الهيدروجين.
وقام مختبر أمانشوكو - الذي يشتهر بأبحاثه في مجال البطاريات - بتطبيق رؤى مستمدة من البطاريات المائية على المشكلة، مفترضا أن التحكم في المياه باستخدام المذيبات العضوية يمكن أن يوفر حلا، وفقا للتقرير.
يعتمد كل من أسلوب تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي وتفاعل تطور الهيدروجين على الماء كمتبرع بالبروتون. وباستخدام المذيبات العضوية والمضافات الحمضية، تمكن الفريق من ضبط سلوك الماء، وإيجاد النقطة المثالية حيث تبرع بالكمية المناسبة من البروتونات لإنشاء الجزيئات المقصودة، وليس غاز الهيدروجين والمواد الأخرى غير المرغوب فيها مثل الكربونات.
وقال تشيبويز أمانشوكو، الأستاذ المساعد في الهندسة الجزيئية: "في الكيمياء العامة، نعلم أن ثاني أكسيد الكربون يتفاعل مع الهيدروكسيد لتكوين الكربونات. وهذا غير مرغوب فيه لأنه يستنزف الجزيء الذي نريد أن يكون له قيمة".
تعتمد العديد من الطرق الأكثر فعالية لتنفيذ تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي على المعادن الثمينة.
وقال غوميز: "إن البلاتين والفضة والذهب، لأغراض البحث، تعتبر محفزات عظيمة. إنها مواد مستقرة للغاية. ولكن عندما تفكر في التطبيقات الصناعية، فإنها تصبح باهظة التكلفة".
ومن خلال هندسة الإلكتروليت، يمكن للطريقة الجديدة الحصول على نتائج مماثلة باستخدام مواد أرخص وأكثر وفرة.
وقال أمانشوكو: "في الوقت الحالي، أفضل طريقة للقيام بذلك كهروكيميائيا في درجة حرارة الغرفة هي استخدام المعادن الثمينة. يمكن للذهب والفضة منع تفاعل تطور الهيدروجين قليلا. بسبب اكتشافنا، يمكننا الآن استخدام معدن موجود بكثرة في الأرض، وهو الزنك، لأن لدينا الآن طريقة منفصلة للتحكم في الماء".
شارك
23:56
