علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
New technique improves conversion of carbon dioxide into liquid fuels
(Rachel Berkowitz بقلم: راشيل بيركويتز)
تلخيص المقالة:
تعرف عملية تحويل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون إلى مادة لقيم وقود باسم الاختزال الكهروكيميائي، فلدى ثاني أكسيد الكربون القدرة على إعادة تحويله بشكل مستدام إلى وقود مفيد. وتحتاج العملية، لتكون مجدية تجاريا، الى تحسينها لانتاج كمية أكبر من المنتجات المرغوبة الغنية بالكربون. وقد حسَّن الباحثون في مختبر لورانس بيركلي الوطني انتقائية العملية بتطوير نهج جديد لتعديل سطح المحفزات النحاسية المستخدمة للمساعدة في التفاعل، باقتراح تغطية سطح المحفز النحاسي باثنين من الأيونمرات الشائعة، نافيون وسوستينيون. وبعملهم هذا، افترض الفريق أنه ينبغي تعديل البيئة – بما في ذلك الرقم الهيدروجيني وكميات المياه وثاني أكسيد الكربون – في المنطقة المجاورة مباشرة للمحفز، بطريقة من شأنها توجيه التفاعل لتوليد منتجات غنية بالكربون يمكن تحويلها بسهولة إلى مواد كيميائية مفيدة ووقود سائل. وقد وجدوا أن المنتجات الغنية بالكربون تمثل 80٪ من الطاقة التي يستهلكها التفاعل – بعد أن كانت 60٪ في الوضع غير المطلي. وباستخدام الجهد النبضي مع طلاء الأيونمر ثنائي الطبقة، حقق الباحثون زيادة بنسبة 250٪ في المنتجات الغنية بالكربون مقارنة بالنحاس غير المطلي والجهد الساكن.
( المقالة )
وكما ورد في مجلة “طاقة الطبيعة” (Nature Energy)، حسَّن الباحثون في مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي) انتقائية العملية بتطوير نهج جديد لتعديل سطح المحفزات النحاسية المستخدمة للمساعدة في التفاعل.
وقال أليكسيس بيل، كبير علماء هيئة التدريس في قسم العلوم الكيميائية في مختبر بيركلي وأستاذ الهندسة الكيميائية في جامعة كاليفورنيا في بيركلي: “على الرغم من أننا نعلم أن النحاس هو أفضل محفز لهذا التفاعل، إلا أنه لا يعطي انتقائية عالية للمنتجات المطلوبة”. وتابع: “وجدت مجموعتنا أنه يمكنك القيام بحيل مختلفة مع البيئة المحلية للمحفز لتوفير تلك الانتقائية”.
وقد حدد الباحثون في الدراسات السابقة الظروف الدقيقة، التي أعطت أفضل بيئة كهربائية وكيميائية لإنشاء منتجات غنية بالكربون مثيرة للاهتمام تجاريا. ولكن هذه الظروف تتعارض مع تلك التي تحدث بشكل طبيعي في خلية وقود نموذجية، والتي تستخدم مادة موصلة تعتمد على الماء.
ولتحديد التصميم الذي يمكن استخدامه في البيئة المائية لخلايا الوقود، تحول البروفيسور بيل وفريقه، كجزء من مشروع ‘مركز ابتكار تحالف طاقة أشعة الشمس السائل‘ التابع لوزارة الطاقة، إلى طبقات رقيقة من الأيونمرات (ionomers)، وهي بوليمرات تسمح لبعض الجزيئات المشحونة (الأيونات) بالمرور مع استبعاد الجزيئات الأخرى. ونتيجة لكيميائها الانتقائية للغاية، فهي مناسبة بشكل فريد للتأثير القوي على البيئة الدقيقة.
تشانيون كيم، باحث ما بعد الدكتوراه في مجموعة البروفيسور بيل، والمؤلف الرئيسي للورقة البحثية، اقترح تغطية سطح المحفز النحاسي باثنين من الأيونمرات الشائعة، نافيون (Nafion) وسوستينيون (Sustainion). وبعملهم هذا، افترض الفريق أنه ينبغي تعديل البيئة – بما في ذلك الرقم الهيدروجيني وكميات المياه وثاني أكسيد الكربون – في المنطقة المجاورة مباشرة للمحفز، بطريقة من شأنها توجيه التفاعل لتوليد منتجات غنية بالكربون يمكن تحويلها بسهولة إلى مواد كيميائية مفيدة ووقود سائل.
وقد وضع الباحثون طبقة رقيقة من كل أيونمر، بالإضافة إلى طبقة ثنائية من كلا الأيونمرات، على الأفلام النحاسية المدعومة بمادة البوليمر، وشكلوا أغشية يمكنهم إدخالها بالقرب من أحد طرفي الخلية الكهروكيميائية بحجم اليد. وأثناء تغذية ثاني أكسيد الكربون في الخلية وتطبيق الجهد، قاموا بقياس التيار الكلي المتدفق عبر الخلية. ثم قاموا بقياس الغازات والسوائل التي تم جمعها في الخزانات المجاورة أثناء التفاعل. وبالنسبة للحالة المكونة من طبقتين، وجدوا أن المنتجات الغنية بالكربون تمثل 80٪ من الطاقة التي يستهلكها التفاعل – بعد أن كانت 60٪ في الوضع غير المطلي.
وقال البروفيسور بيل: “يعطي طلاء السندويتش هذا أفضل ما في العالمين: انتقائية المنتج العالية والنشاط العالي”. ولم يفضل السطح ثنائي الطبقة المنتجات الغنية بالكربون فحسب، بل ولَّد في الوقت نفسه تيارا كهربائيا قويا، مما يشير إلى زيادة النشاط.
خلص الباحثون إلى أن التفاعل المحسَّن كان نتيجة لتركيز ثاني أكسيد الكربون العالي، الذي تراكم في طبقة الطلاء مباشرة فوق النحاس. وبالإضافة إلى ذلك، خلقت الجزيئات ذات الشحن السلبي التي تراكمت في المنطقة بين الأيونمرين حموضة محلية منخفضة. وقد تصدى هذا المزيج لمفاضلة التركيز، التي تميل إلى الحدوث في غياب أفلام الأيونمر.
ولزيادة كفاءة التفاعل بشكل أكبر، تحول الباحثون إلى تقنية تم إثباتها من قبل، بدون أفلام الأيونمر، كوسيلة أخرى لزيادة ثاني أكسيد الكربون ودرجة الحموضة: نبض الجهد (pulsing the voltage). وباستخدام الجهد النبضي مع طلاء الأيونمر ثنائي الطبقة، حقق الباحثون زيادة بنسبة 250٪ في المنتجات الغنية بالكربون مقارنة بالنحاس غير المطلي والجهد الساكن (static voltage).
وفي حين ركز بعض الباحثين عملهم على تطوير محفزات جديدة، فإن اكتشاف المحفز لا يأخذ في الاعتبار ظروف التشغيل. ويعد التحكم في البيئة على سطح المحفز نهجًا جديدًا ومختلفًا.
وقال آدم ويبر، كبير العلماء الموظفين في ‘منطقة تقنيات الطاقة في مختبر بيركلي’ والمؤلف المشارك في الورقة البحثية: “بدلا من التوصل إلى محفز جديد تماما، أخذنا ما نعرفه عن حركية رد الفعل واستخدمنا تلك المعرفة لتوجيه تفكيرنا حول كيفية تغيير البيئة في موقع المحفز”.
إن الخطوة التالية هي زيادة إنتاج المحفز المطلي. وقد تضمنت التجارب الأولية لفريق مختبر بيركلي أنظمة نموذجية صغيرة ومسطحة، والتي يسهل العمل معها مقارنة بالهياكل المسامية – المنطقة العالية – اللازمة للتطبيقات التجارية. فليس من الصعب تغطية سطح مستو. وقال البروفيسور بيل: “لكن النهج التجاري قد ينطوي على طلاء كرات نحاسية صغيرة”. ويصبح إضافة طلاء ثان أمرًا صعبًا. وأحد الاحتمالات هو خلط وترسيب الطلاءين معا في مذيب، على أمل أن ينفصلا مع تبخر المذيب. واختتم قائلا: “إذا لم يفعلا ذلك؟ سيكون علينا فقط أن نصبح أكثر ذكاء”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2021-11-technique-conversion-carbon-dioxide-liquid.html
لمزيد من المعلومات: تشانيون كيم وآخرون، Tailored catalyst microenvironments for CO2 electroreduction to multicarbon products on copper using bilayer ionomer coatings, Nature Energy (2021). DOI: 10.1038/s41560-021-00920-8
الهوامش:
[١] الأيونمر، كما قد يخمن المرء من الاسم، هو أيون يحتوي على بوليمر. قد تتذكر أن الأيون هو ذرة أو جزيء له شحنة كهربائية، إما موجب [+] أو سالبة [-]، لكن الأيونمر هو أكثر من مجرد بوليمر مع مجموعات أيونية. نسمي أي بوليمر قديم مع مجموعات أيونية بولي إلكتروليت (polyelectrolyte). لكن الأيونمرات هي نوع خاص من البولي إلكتروليت. بادئ ذي بدء، إنها بوليمرات مشتركة. تحتوي في الغالب على وحدات تكرار غير أيونية، وكمية صغيرة من الأيونات تحتوي على وحدات تكرار. كم هو صغير؟ عادة ما تشكل المجموعات الأيونية أقل من 15٪ من البوليمر. أحد الأمثلة على الأيونومر هو بولي (حمض الإيثيلين المشترك الميثاكريليك). هذا البوليمر هو ملح الصوديوم أو الزنك (الذي يوفر أيونات مضادة) من البوليمرات المشتركة المشتقة من الإيثيلين وحمض الميثاكريليك. المصدر: https://pslc.ws/macrog/ionomer.htm