علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
Catalyst turns carbon dioxide into gasoline 1,000 times more efficiently
(Andrew Myers – بقلم: أندرو مايرز)
ملخص المقالة:
اخترع البروفيسور ماتيو كارغنيلو وزملاؤه في جامعة ستانفورد محفزًا جديدًا مصنوعًا من عنصر الروثينيوم، سيساهم في إيجاد حل لانتشار الغازات الدفيئة وفي الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، وسيُمَكِّن زيادة إنتاج الهيدروكربونات طويلة السلسلة في التفاعلات الكيميائية. وقد أنتج هذا المحفز بيوتان 1000 مرة أكثر، مقارنة مع المحفز القياسي بالنظر إلى نفس كميات ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين والمحفز والضغط والحرارة والوقت.
( المقالة )
يعرف المهندسون الذين يعملون على ابطال انتشار غازات الدفيئة أنه بالإضافة إلى الحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون، سنحتاج أيضا إلى إحتجاز ثاني أكسيد الكربون من أبخرة محطات توليد الكهرباء أو من السماء. ولكن، ماذا نفعل بكل ما يُحْتَجز من الكربون؟ يعمل البروفيسور ماتيو كارغنيلو، وهو مهندس كيميائي في جامعة ستانفورد، على تحويله إلى مواد كيميائية مفيدة أخرى، مثل البروبان أو البيوتان أو أنواع الوقود الهيدروكربونية الأخرى التي تتكون من سلاسل طويلة من الكربون والهيدروجين.
وقال البروفيسور كارغنيلو، وهو أستاذ مساعد في قسم الهندسة الكيميائية في جامعة ستانفورد: “يمكننا صنع البنزين بشكل أساسي. ولإلتقاط (احتجاز) أكبر قدر ممكن من الكربون، فأنت تريد أطول سلسلة من الهيدروكربونات. ستكون السلاسل التي تحتوي على ثماني إلى 12 ذرة كربون مثالية”.
ويتحرك محفز جديد، اخترعه البروفيسور كارغنيلو وزملاؤه، نحو تحقيق هذا الهدف من خلال زيادة إنتاج الهيدروكربونات طويلة السلسلة في التفاعلات الكيميائية. وقد أنتج 1000 مرة أكثر من البيوتان – أطول هيدروكربون يمكن أن ينتجه تحت ضغطه الأقصى – من المحفز القياسي بالنظر إلى نفس كميات ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين والمحفز والضغط والحرارة والوقت.
ويتكون المحفز الجديد من عنصر الروثينيوم – وهو معدن انتقالي نادر ينتمي إلى مجموعة البلاتين – مغلف بطبقة رقيقة من البلاستيك. ومثل أي محفز، يسرع هذا الاختراع التفاعلات الكيميائية دون أن يُسْتَخدم في العملية. ويتميز الروثينيوم أيضا بأنه أقل تكلفة من المحفزات الأخرى عالية الجودة، مثل البلاديوم والبلاتين.
ويصف البروفيسور كارغنيلو وفريقه المحفز ونتائج تجاربهم في ورقتهم البحثية الأخيرة، التي نشرت هذا الأسبوع (الأسبوع الثاني من فبراير 2022) في مجلة وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم (Proceedings of the National Academy of Sciences).
واستغرق البروفيسور كارغنيلو وفريقه سبع سنوات لاكتشاف المحفز الجديد وإتقانه. العقبة: كلما طالت السلسلة الهيدروكربونية، زادت صعوبة إنتاجها. ويتطلب ربط الكربون بالكربون بالحرارة والضغط الكبير، مما يجعل العملية مكلفة وكثيفة الاستخدام للطاقة.
وفي هذا الصدد، قال البروفيسور كارغنيلو إن قدرة المحفز الجديد على إنتاج البنزين من التفاعل هي اختراق (علمي). وسيحتاج المفاعل في مختبره إلى ضغط أكبر فقط لإنتاج جميع الهيدروكربونات طويلة السلسلة لانتاج البنزين، وهم بصدد بناء مفاعل ضغط أعلى.
والبنزين سائل في درجة حرارة الغرفة، وبالتالي، من الأسهل بكثير التعامل معه من أقربائه الغازيين قصيري السلسلة – الميثان والإيثان والبروبان – الذين يصعب تخزينهم وهم عرضة للتسرب مرة أخرى إلى السماء. ويتخيل البروفيسور كارغنيلو وباحثون آخرون، يعملون على صنع الوقود السائل من الكربون المحتجز، دورةً محايدةً للكربون يتم فيها جمع ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى وقود وحرقه مرة أخرى ويبدأ ثاني أكسيد الكربون الناتج الدورة من جديد.
إتقان البوليمر
مفتاح الزيادة الملحوظة في التفاعل هو تلك الطبقة من البلاستيك المسامي على الروثينيوم، كما أوضح تشينغشوانغ تشو، المؤلف الرئيسي والطالب في مختبر البروفيسور كارغنيلو المرشح لنيل درجة الدكتوراه، والذي أجرى البحث والعمل التجريبي اللازمين لتنقيح الطلاء الجديد. وقال إن المحفز غير المطلي يعمل بشكل جيد، ولكنه ينتج فقط الميثان، أقصر سلسلة هيدروكربونية، والتي تحتوي على ذرة واحدة فقط من الكربون مرتبطة بأربعة ذرات هيدروجين. إنه (الميثان) ليس سلسلة على الإطلاق.
وقال تشو: “يتم تغطية المحفز غير المطلي بالكثير من الهيدروجين على سطحه، مما يحد من قدرة الكربون على العثور على ذرات كربون أخرى للترابط معها. ويتحكم البوليمر المسامي في نسبة الكربون إلى الهيدروجين ويسمح لنا بإنشاء سلاسل كربون أطول من نفس التفاعلات. وقد تم إثبات هذا التفاعل الحاسم الخاص باستخدام تقنيات السنكروترون في المختبر الوطني (SLAC) [١] بالتعاون مع فريق الدكتور سيمون باري، الذي يقود الوصول المشترك هناك”.
وفي حين أن الهيدروكربونات طويلة السلسلة هي استخدام مبتكر للكربون الملتقط، إلا أنها ليست مثالية، كما يعترف البروفيسور كارغنيلو. كما أنه يعمل على محفزات أخرى وعمليات مماثلة تحول ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية صناعية قيمة، مثل الأوليفينات المستخدمة لصنع البلاستيك والميثانول والكأس المقدسة، الإيثانول، وكلها يمكن أن تحتجز الكربون دون إعادة ثاني أكسيد الكربون إلى السماء.
وأشار البروفيسور كارغنيلو: “إذا استطعنا صنع الأوليفينات من ثاني أكسيد الكربون لصنع البلاستيك، فقد حبسناه (ثاني أكسيد الكربون) في مادة صلبة قابلة للتخزين على المدى الطويل. ستكون هذه صفقة كبيرة”.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2022-02-catalyst-carbon-dioxide-gasoline- efficiently.html
لمزيد من المعلومات: تشينغشوانغ زهو وآخرون، Steering CO2 hydrogenation toward C–C coupling to hydrocarbons using porous organic polymer/metal interfaces, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2114768119
الهوامش:
[١] مختبر المسرع الوطني (SLAC)، الذي كان يسمى في الأصل مركز ستانفورد للمسرع الخطي، هو مختبر وطني تابع لوزارة الطاقة الأمريكية تديره جامعة ستانفورد تحت التوجيه البرنامجي لمكتب وزارة الطاقة للعلوم، ويقع في مينلو بارك بولاية كاليفورنيا. وقد تأسست المنشأة في عام 1962 كمركز جامعة ستانفورد للمسرع الخطي، وتقع على مساحة 172 هكتارا (426 فدانا) من الأراضي المملوكة للجامعة على طريق ساند هيل في مينلو بارك، كاليفورنيا – غرب الحرم الجامعي الرئيسي للجامعة مباشرة. ويبلغ طول المسرع الرئيسي 3.2 كيلومتر (2 ميل) – أطول مسرع خطي في العالم – ويعمل منذ عام 1966، وأغلق في العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، ويمكنه أن يسرع الإلكترونات إلى طاقات 50 جيجا فولت. وتركز أبحاث المختبر اليوم على برنامج واسع في فيزياء الحالة الذرية والحالة الصلبة والكيمياء والبيولوجيا والطب باستخدام الأشعة السينية من إشعاع السنكروترون وليزر الإلكترون الحر بالإضافة إلى البحوث التجريبية والنظرية في فيزياء الجسيمات الأولية وفيزياء الجسيمات الفلكية وعلم الكونيات. ويكيبيديا.