لإبطاء ظاهرة الاحتباس الحراري، يجب خفض انبعاثات الغازات الدفيئة بشكل كبير. ويشمل ذلك التخلص التدريجي من الوقود الأحفوري واعتماد تقنيات موفرة للطاقة. ومع ذلك، فإن خفض الانبعاثات وحده لا يكفي لتحقيق الأهداف المناخية. ومن المهم أيضًا إزالة كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون من الغلاف الجوي وتخزينها تحت الأرض أو إعادة استخدامها في الصناعة كمواد محايدة للكربون. ورغم أن تقنيات احتجاز الكربون الحالية فعالة، إلا أنها كثيفة الاستخدام للطاقة ومكلفة.
لذلك، يقوم الباحثون في ETH Zurich بتطوير طريقة جديدة لتسخير الضوء. وبهذا النهج، فإن الطاقة اللازمة لاحتجاز الكربون في المستقبل ستأتي من الشمس.
يستغل العلماء، بقيادة ماريا لوكاتسكايا، أستاذة أنظمة الطاقة الكهروكيميائية، حقيقة أنه في المياه الحمضية، يوجد ثاني أكسيد الكربون في صورة ثاني أكسيد الكربون، ولكن في المياه القلوية، يتفاعل ثاني أكسيد الكربون لتكوين كربونات، تعرف باسم الكربونات. هذا التفاعل الكيميائي قابل للعكس. تحدد حموضة السائل ما إذا كان يحتوي على ثاني أكسيد الكربون أو الكربونات.
للتأثير على حموضة السائل، أضاف الباحثون جزيئات تتفاعل مع الضوء (تسمى الأحماض الضوئية). إذا سلطت الضوء على هذا السائل، فإن هذه الجزيئات تجعله حمضيًا. وفي الظلام، تعود إلى حالتها الأصلية، مما يجعل السائل قلويًا.
هذه هي الطريقة التي تعمل بها طريقة الباحثين في ETH بالتفصيل: يقوم الباحثون بفصل ثاني أكسيد الكربون من الهواء في الظلام عن طريق تمريره عبر سائل يحتوي على حمض ضوئي. وبما أن هذا السائل قلوي، فإن ثاني أكسيد الكربون يتفاعل ويشكل كربونات. وبمجرد تراكم الملح في السائل إلى مستوى معين، يسلط الباحثون الضوء على السائل. وهذا يجعل السائل حمضيًا وتتحول الكربونات إلى ثاني أكسيد الكربون. يخرج ثاني أكسيد الكربون من السائل، كما هو الحال في زجاجة الكولا، ويمكن جمعه في خزان الغاز. عندما لم يبق أي ثاني أكسيد كربون تقريبًا في السائل، قام الباحثون بإطفاء مصدر الضوء وبدأت الدورة مرة أخرى، مما سمح للسائل بالتقاط ثاني أكسيد الكربون.
تقول أنادي فريس، طالبة الدكتوراه في مجموعة لوكاتسكايا البحثية والمؤلفة الأولى للدراسة: "من الناحية العملية، ظهرت مشكلة: لم يكن الحمض الضوئي المستخدم مستقرًا في الماء". "خلال التجارب المبكرة، وجدنا أن الجزيء يتحلل بعد يوم واحد."
لذلك قام لوكاتسكايا ودي فريس وزملاؤهما بتحليل تحلل الجزيء. لقد قاموا بحل هذه المشكلة عن طريق التفاعل ليس في الماء، ولكن في خليط من الماء والمذيبات العضوية. وحدد العلماء النسبة المثلى للسائلين من خلال التجارب المعملية وشرحوا النتائج التي توصلوا إليها من خلال حسابات نموذجية أجراها باحثون في جامعة السوربون في باريس.
أولاً، أبقى الخليط جزيئات الحمض الضوئي ثابتة في المحلول لمدة شهر تقريبًا. ومن ناحية أخرى، فإنه يضمن أن الضوء يمكن أن يتحول ذهابًا وإيابًا بين المحاليل الحمضية والقلوية حسب الحاجة. وإذا لم يكن المذيب العضوي الذي استخدمه الباحثون يحتوي على الماء، فسيكون التفاعل لا رجعة فيه.
تعتبر عمليات احتجاز الكربون الأخرى دورية أيضًا. إحدى الطرق الراسخة هي استخدام المرشحات لجمع جزيئات ثاني أكسيد الكربون في درجة الحرارة المحيطة. ومن أجل إزالة ثاني أكسيد الكربون من الفلتر لاحقًا، يجب تسخين الفلتر إلى حوالي 100 درجة مئوية. ومع ذلك، فإن كلا من التدفئة والتبريد يستهلكان الكثير من الطاقة: فهما يمثلان غالبية الطاقة اللازمة لطرق الترشيح.
وقالت لوكاتسكايا: "على النقيض من ذلك، فإن عمليتنا لا تتطلب أي تسخين أو تبريد، لذا فهي تتطلب طاقة أقل بكثير". "ليس هذا فحسب، بل قد تعمل الطريقة الجديدة لباحثي ETH أيضًا على ضوء الشمس وحده. والشيء الآخر المثير للاهتمام حول نظامنا هو أنه يمكننا الانتقال من القلوية إلى الحمضية في ثوانٍ والعودة إلى القلوية في دقائق. وهذا يسمح لنا بالتبديل بين احتجاز الكربون وإطلاق الكربون بشكل أسرع بكثير من النظام الذي يعتمد على درجة الحرارة."
ومن خلال هذه الدراسة، أظهر الباحثون أنه يمكن استخدام الحمض الضوئي لالتقاط ثاني أكسيد الكربون في المختبر. وبعد ذلك، سيعملون على تحسين استقرار جزيء الحمض الضوئي وطرحه في الأسواق. يحتاجون أيضًا إلى دراسة معلمات العملية برمتها لتحسين العملية بشكل أكبر.
المرجع: "الأحماض الضوئية المذابة كمفاتيح درجة حموضة مستقرة مدفوعة بالضوء لالتقاط ثاني أكسيد الكربون وإطلاقه"، بقلم أنادي فريس، وكاترينا جولوفيزنينا، ومانويل رايتر، وماتيو سالان، وماريا ر. لوكاتسكايا، 20 ديسمبر 2023، "كيمياء المواد".
DOI:10.1021/acs.chemmater.3c02435
تم تجميعها من / scitechdaily