طور العلماء في مختبر بروكهافن الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وجامعة كولومبيا طريقة لتحويل ثاني أكسيد الكربون (CO2)، وهو أحد غازات الدفيئة القوية، إلى ألياف نانوية كربونية، وهي مادة ذات نطاق واسع من الخصائص الفريدة والعديد من الاستخدامات المحتملة على المدى الطويل. وتتمثل استراتيجيتهم في استغلال التفاعلات الكهروكيميائية والكيميائية الحرارية المتسلسلة، والتي تعمل في درجات حرارة وضغوط محيطة منخفضة نسبيًا.
وكما وصف العلماء في مجلة Nature Catalogy، يمكن لهذا النهج أن يحبس الكربون بنجاح في شكل صلب مفيد، وبالتالي تعويض أو حتى تحقيق انبعاثات الكربون السلبية.
وقال جينغوانغ تشن، أستاذ الهندسة الكيميائية في جامعة كولومبيا الذي قاد البحث: "يمكننا وضع ألياف الكربون النانوية في الأسمنت لتعزيز قوة الأسمنت. وهذا سوف يحبس الكربون في الخرسانة لمدة 50 عامًا على الأقل، وربما لفترة أطول. وبحلول ذلك الوقت، يجب على العالم أن يتحول بشكل أساسي إلى مصادر الطاقة المتجددة التي لا تنبعث منها الكربون".
بالإضافة إلى ذلك، تنتج العملية الهيدروجين (H2)، وهو وقود بديل واعد لا ينتج أي انبعاثات عند استخدامه.
تتغلب استراتيجية إنتاج CNF الترادفية الكهربية والحرارية على القيود الديناميكية الحرارية من خلال الجمع بين التحويل الكهربي المشترك لثاني أكسيد الكربون والماء إلى غاز تخليقي (CO وH2) مع العمليات الكيميائية الحرارية اللاحقة في ظل ظروف معتدلة (370-450 درجة مئوية، الضغط المحيط). وهذا يؤدي إلى زيادة إنتاجية CNF. يعمل التآزر الأمثل بين سبائك الحديد والكوبالت (FeCo) والمعادن الإضافية على تعزيز تنشيط تفكك الغاز الاصطناعي ويعزز تكوين روابط الكربون والكربون لإنتاج CNF. المصدر: ZhenhuaXie/مختبر بروكهافن الوطني وجامعة كولومبيا
التقاط أو تحويل الكربون
إن فكرة احتجاز ثاني أكسيد الكربون أو تحويله إلى مواد أخرى لمكافحة تغير المناخ ليست جديدة. ولكن مجرد تخزين غاز ثاني أكسيد الكربون يمكن أن يسبب تسربات. والعديد من مشاريع تحويل ثاني أكسيد الكربون تنتج مواد كيميائية أو وقود قائم على الكربون يتم استخدامه على الفور، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى إلى الغلاف الجوي.
وقال تشين: "حداثة هذا العمل هي أننا نحاول تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد مفيدة صلبة ذات قيمة مضافة".
تتمتع مادة الكربون الصلبة هذه، والتي تشمل أنابيب الكربون النانوية والألياف النانوية التي يبلغ حجمها جزءًا من المليار من المتر، بالعديد من الخصائص الجذابة، بما في ذلك القوة والتوصيل الحراري والكهربائي. لكن استخلاص الكربون من ثاني أكسيد الكربون وتجميعه في هذه الهياكل الدقيقة ليس بالمهمة السهلة. تتطلب العملية الحرارية المباشرة درجات حرارة تزيد عن 1000 درجة مئوية.
وهذا أمر غير واقعي إلى حد كبير بالنسبة للتخفيف من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع. في المقابل، اكتشف الباحثون عملية يمكن أن تحدث عند درجات حرارة تبلغ حوالي 400 درجة مئوية، وهي درجة حرارة أكثر عملية وقابلة للتحقيق صناعيا.
يُظهر المجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة (TEM) أطراف ألياف الكربون النانوية المنتجة باستخدام محفز حراري من الحديد والكوبالت/أكسيد السيريوم (FeCo/CeO2) (يسار). استخدم العلماء المسح المجهري الإلكتروني النافذ (STEM)، وتصوير المجال المظلم الحلقي عالي الزاوية (HAADF)، والتحليل الطيفي للأشعة السينية المشتتة من الطاقة (EDS) لرسم خريطة التركيب والتركيب الكيميائي لألياف الكربون النانوية المشكلة حديثًا (يمين) (يمثل شريط المقياس 8 نانومتر). تُظهر الصورة أن الألياف النانوية مصنوعة من الكربون (C)، وتُظهر أن المعادن المحفزة مثل الحديد (Fe) والكوبالت (Co) يتم دفعها بعيدًا عن السطح الحفاز وتتجمع عند أطراف الألياف النانوية. المصدر: مركز المواد النانوية الوظيفية/مختبر بروكهافن الوطني
طريقة من خطوتين على التوالي
تكمن الحيلة في تقسيم التفاعل إلى مراحل واستخدام نوعين مختلفين من المحفزات، وهي المواد التي تسهل على الجزيئات التجمع معًا والتفاعل.
قال زينهوا شيه، المؤلف الأول للدراسة وعالم الأبحاث في مختبر بروكهافن وجامعة كولومبيا: "إذا قمت بتقسيم التفاعل إلى خطوات تفاعل فرعي، فيمكنك التفكير في استخدام أنواع مختلفة من مدخلات الطاقة والمحفزات لجعل كل جزء من التفاعل يعمل".
أدرك العلماء لأول مرة أن أول أكسيد الكربون (CO) كان مادة أولية أفضل من ثاني أكسيد الكربون لصنع ألياف الكربون النانوية (CNF). ثم عملوا بشكل عكسي لإيجاد الطريقة الأكثر فعالية لتوليد أول أكسيد الكربون من ثاني أكسيد الكربون.
أدى العمل السابق لمجموعتهم إلى استخدام محفز كهربائي متاح تجاريًا مصنوع من البلاديوم المدعم بالكربون. تستخدم المحفزات الكهربائية التيار الكهربائي لتحفيز التفاعلات الكيميائية. تحت تأثير الإلكترونات والبروتونات، يقوم المحفز بفصل ثاني أكسيد الكربون والماء (H2O) إلى ثاني أكسيد الكربون وH2.
وفي الخطوة الثانية، استخدم العلماء محفزًا حراريًا منشطًا بالحرارة مصنوعًا من سبيكة الحديد والكوبالت. ويعمل المحفز عند درجة حرارة تبلغ حوالي 400 درجة مئوية، وهي أقل بكثير من الدرجة المطلوبة لتحويل ثاني أكسيد الكربون مباشرة إلى النفثالين المكلور. ووجدوا أيضًا أن إضافة بعض الكوبالت المعدني الإضافي أدى إلى تسريع عملية تكوين ألياف الكربون النانوية بشكل كبير.
وقال تشين: "من خلال الجمع بين التحفيز الكهربائي والتحفيز الحراري، نستخدم هذه العملية الترادفية لتحقيق تأثيرات لا يمكن تحقيقها بأي من العمليتين".
توصيف المحفز
لاستكشاف تفاصيل كيفية عمل هذه المحفزات، أجرى العلماء العديد من التجارب. تشمل التجارب دراسات النمذجة الحسابية في مصدر ضوء إشعاع السنكروترون الوطني II (NSLS-II) التابع لمختبر بروكهافن (باستخدام خطوط إشعاع امتصاص وتشتت الأشعة السينية السريعة (QAS) ومطيافية القشرة الداخلية (ISS)، ودراسات التوصيف الفيزيائي والكيميائي، والتصوير المجهري في منشأة الفحص المجهري الإلكتروني في مركز المواد النانوية الوظيفية (CFN) بالمختبر.
فيما يتعلق بالنمذجة، استخدم العلماء حسابات "نظرية الكثافة الوظيفية" (DFT) لتحليل الترتيب الذري والخصائص الأخرى للمحفز أثناء تفاعله مع البيئة الكيميائية النشطة.
"نحن ندرس بنية المحفز لتحديد المرحلة المستقرة للمحفز في ظل ظروف التفاعل"، يوضح المؤلف المشارك في الدراسة بينج ليو من وزارة الثقافة في بروكفيلد، الذي قاد الحسابات. "نحن ندرس المواقع النشطة وكيفية ارتباط هذه المواقع بوسائل التفاعل. ومن خلال تحديد الحواجز أو حالات الانتقال من خطوة إلى أخرى، يمكننا أن نفهم بالضبط كيف يعمل المحفز أثناء التفاعل."
قامت تجارب حيود الأشعة السينية وامتصاص الأشعة السينية التي تم إجراؤها في NSLS-II بتتبع التغيرات الفيزيائية والكيميائية للمحفز أثناء التفاعل. على سبيل المثال، كشفت الأشعة السينية السنكروترونية كيف يؤدي وجود تيار كهربائي إلى تحويل البلاديوم المعدني في المحفز إلى هيدريد البلاديوم، وهو معدن أساسي لإنتاج الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون في مرحلة التفاعل الأولى.
وقال شيه إنه بالنسبة للمرحلة الثانية، "نريد أن نعرف ما هو هيكل نظام الحديد والكوبالت في ظل ظروف التفاعل وكيفية تحسين محفز الحديد والكوبالت". أكدت تجارب الأشعة السينية وجود سبيكة من الحديد والكوبالت، بالإضافة إلى بعض الكوبالت المعدني الإضافي، وهي مطلوبة لتحويل أول أكسيد الكربون إلى ألياف نانوية كربونية. يعمل الاثنان بالتناوب، وتساعد حسابات DFT في شرح العملية.
"وفقًا لبحثنا، تساعد مواقع الحديد والكوبالت في السبائك على كسر روابط ثاني أكسيد الكربون لأول أكسيد الكربون. وهذا يجعل الكربون الذري مصدرًا لبناء ألياف الكربون النانوية"، وأوضحت: "يساعد الكوبالت الإضافي في تكوين روابط CC التي تربط ذرات الكربون".
قابلة لإعادة التدوير، سلبية الكربون
كشف تحليل المجهر الإلكتروني للإرسال (TEM) الذي تم إجراؤه في CFN عن التشكل والبنية البلورية والتوزيع العنصري لألياف الكربون النانوية مع وبدون المحفزات.
تظهر الصور أنه مع نمو ألياف الكربون النانوية، يتم دفع المحفز للأعلى وبعيدًا عن السطح. وهذا يجعل من السهل إعادة تدوير المعادن المحفزة، وذلك باستخدام الأحماض لترشيح المعادن دون تدمير ألياف الكربون النانوية، مما يسمح بتركيز المعادن واستعادتها لاستخدامها مرة أخرى كمحفزات.
يقول الباحثون إن سهولة إعادة تدوير المحفز، والتوافر التجاري للمحفز، وظروف التفاعل المعتدلة نسبيًا للتفاعل الثاني، كلها تساهم في تقييم إيجابي للطاقة والتكاليف الأخرى ذات الصلة بالعملية.
وقال تشين: "بالنسبة للتطبيقات العملية، فإن تحليل بصمة ثاني أكسيد الكربون وقابلية إعادة تدوير المحفز مهمان للغاية". "تُظهر نتائجنا الفنية وهذه التحليلات الأخرى أن هذه الإستراتيجية الترادفية تفتح الباب أمام إزالة الكربون من ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى منتجات قيمة لعزل الكربون مع إنتاج الهيدروجين المتجدد."
وإذا تم تشغيل هذه العمليات بالطاقة المتجددة، فإن النتائج ستكون سلبية حقاً فيما يتعلق بالكربون، مما يفتح فرصاً جديدة لخفض ثاني أكسيد الكربون.
تم تجميعها من /ScitechDaily