علوم القطيف مقالات علمية في شتى المجالات العلمية
New, nature-inspired concepts for turning carbon dioxide into clean fuels
(University of Cambridge – تقديم: جامعة كامبريدج)
ملخص المقالة:
طور باحثو جامعة كامبريدج مفهوما فعالا لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود نظيف ومستدام، دون أي منتجات ثانوية أو نفايات غير مرغوب فيها، وقد أظهروا سابقا أن المحفزات البيولوجية، أو الإنزيمات، يمكن أن تنتج الوقود بشكل نظيف باستخدام مصادر الطاقة المتجددة، ولكن بكفاءة منخفضة. وأدت أحدث أبحاثهم إلى تحسين كفاءة إنتاج الوقود بمقدار 18 مرة في بيئة مختبرية، مما يدل على أنه يمكن تحويل انبعاثات الكربون الملوثة إلى وقود أخضر بكفاءة دون أي طاقة مهدرة.
( المقالة )
طور الباحثون مفهوما فعالا لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود نظيف ومستدام، دون أي منتجات ثانوية أو نفايات غير مرغوب فيها.
وأظهر الباحثون، من جامعة كامبريدج، سابقا أن المحفزات البيولوجية، أو الإنزيمات، يمكن أن تنتج الوقود بشكل نظيف باستخدام مصادر الطاقة المتجددة، ولكن بكفاءة منخفضة.
وأدت أحدث أبحاثهم إلى تحسين كفاءة إنتاج الوقود بمقدار 18 مرة في بيئة مختبرية، مما يدل على أنه يمكن تحويل انبعاثات الكربون الملوثة إلى وقود أخضر بكفاءة دون أي طاقة مهدرة. وتم الإبلاغ عن النتائج في ورقتين بحثيتين متصلتين في نشرة “كيمياء الطبيعة وإجراءات الأكاديمية الوطنية للعلوم” (Nature Chemistry and Proceedings of the National Academy of Science).
وتنتج معظم طرق تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود أيضا منتجات ثانوية غير مرغوب فيها مثل الهيدروجين. ويمكن للعلماء تغيير الظروف الكيميائية لتقليل إنتاج الهيدروجين، ولكن هذا يقلل أيضا من أداء تحويل ثاني أكسيد الكربون: حتى يمكن إنتاج وقود أنظف، ولكن على حساب الكفاءة.
ويعتمد إثبات المفهوم الذي طورته جامعة كامبريدج على الإنزيمات المعزولة عن البكتيريا لتشغيل التفاعلات الكيميائية التي تحول ثاني أكسيد الكربون إلى وقود، وهي عملية تسمى التحليل الكهربائي. والإنزيمات أكثر كفاءة من المحفزات الأخرى، مثل الذهب، ولكنها حساسة للغاية لبيئتها الكيميائية المحلية. وإذا لم تكن البيئة المحلية صحيحة تماما، فإن الإنزيمات تنهار وتصبح التفاعلات الكيميائية بطيئة.
وطور باحثو جامعة كامبريدج، الذين يعملون مع فريق من جامعة نوفا دي لشبونة في البرتغال، طريقة لتحسين كفاءة التحليل الكهربائي عن طريق ضبط شروط المحلول لتغيير البيئة المحلية للإنزيمات.
“لقد تطورت الإنزيمات على مدى ملايين السنين لتكون فعالة للغاية وانتقائية، وهي رائعة لإنتاج الوقود لأنه لا توجد أي منتجات ثانوية غير مرغوب فيها” ، كما قال الدكتور إستر إدواردز مور من قسم يوسف حميد للكيمياء في جامعة كامبريدج، المؤلف الأول للورقة البحثية المنشورة في نشرة “كيمياء الطبيعة وإجراءات الأكاديمية الوطنية للعلوم”.
وتابع: “ومع ذلك، فإن حساسية الإنزيمات تطرح مجموعة مختلفة من التحديات. وتأخذ طريقتنا في الحسبان هذه الحساسية، بحيث يتم تعديل البيئة المحلية لتتناسب مع ظروف العمل المثالية للإنزيم”.
وقد استخدم الباحثون طرقا حسابية لتصميم نظام لتحسين التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون. وباستخدام النظام القائم على الإنزيم، زاد مستوى إنتاج الوقود بمقدار 18 مرة مقارنة بالحل المعياري الحالي.
ولتحسين البيئة المحلية بشكل أكبر، أظهر الفريق كيف يمكن أن يعمل إنزيمان معا، أحدهما ينتج الوقود والآخر يتحكم في البيئة. ووجدوا أنه بإضافة إنزيم آخر، فإنه يسرع التفاعلات، مما يزيد من الكفاءة ويقلل من المنتجات الثانوية غير المرغوب فيها.
“انتهى بنا الأمر بالوقود الذي أردناه فقط، بدون منتجات جانبية، وبخسائر طاقة هامشية فقط ، مما أدى إلى إنتاج وقود نظيف بأقصى قدر من الكفاءة”، قال الدكتور سام كوب، المؤلف الأول لورقة نشرة “كيمياء الطبيعة”. وتابع: “من خلال أخذ إلهامنا من علم الأحياء، سيساعدنا ذلك على تطوير أنظمة محفزات اصطناعية أفضل، وهو ما سنحتاجه إذا أردنا نشر التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع”.
وقال البروفيسور إروين ريسنر، الذي قاد البحث: “يلعب التحليل الكهربائي دورا كبيرا في الحد من انبعاثات الكربون”. وأضاف: “بدلا من التقاط وتخزين ثاني أكسيد الكربون، وهو كثيف الاستخدام للطاقة بشكل لا يصدق، أظهرنا مفهوما جديدا لالتقاط الكربون وجعل شيء ما مفيدا منه بطريقة موفرة للطاقة”.
ويقول الباحثون إن سر التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون الأكثر كفاءة يكمن في المحفزات. وكانت هناك تحسينات كبيرة في تطوير المحفزات الاصطناعية في السنوات الأخيرة، لكنها لا تزال أقل من الإنزيمات المستخدمة في هذا العمل (البحثي).
وقال الدكتور كوب: “بمجرد أن تتمكن من صنع محفزات أفضل، تختفي العديد من مشاكل التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون”. وأردف: “نحن نظهر للمجتمع العلمي أنه بمجرد أن ننتج محفزات المستقبل، سنكون قادرين على التخلص من العديد من الحلول الوسطى التي يتم تقديمها حاليا، لأن ما نتعلمه من الإنزيمات يمكن نقله إلى محفزات اصطناعية”.
وقال إدواردز مور: “بمجرد أن صممنا المفهوم، كان التحسن في الأداء مذهلا”. وتابع: “كنت قلقا من أننا سنمضي سنوات في محاولة لفهم ما يجري على المستوى الجزيئي، ولكن بمجرد أن قدَّرنا حقا تأثير البيئة المحلية، تطورت بسرعة كبيرة”.
“نريد في المستقبل استخدام ما تعلمناه لمعالجة بعض المشاكل الصعبة التي تكافح معها المحفزات الحديثة الحالية، مثل استخدام ثاني أكسيد الكربون مباشرة من الهواء لأن هذه هي الظروف التي يمكن أن تتألق فيها خصائص الإنزيمات كمحفزات مثالية حقا”، قال الدكتور كوب.
*تمت الترجمة بتصرف
المصدر:
https://phys.org/news/2022-02-nature-inspired-concepts-carbon-dioxide-fuels.html
More information: Erwin Reisner, Fast CO2 hydration kinetics impair heterogeneous but improve enzymatic CO2 reduction catalysis, Nature Chemistry (2022). DOI: 10.1038/s41557-021-00880-2. www.nature.com/articles/s41557-021-00880-2
لمزيد من المعلومات راجع:
- إيروين ريسنير وآخرون، Fast CO2 hydration kinetics impair heterogeneous but improve enzymatic CO2 reduction catalysis, Nature Chemistry (2022). DOI: 10.1038/s41557-021-00880-2. www.nature.com/articles/s41557-021-00880-2
- Esther Edwardes Moore et al, Understanding the local chemical environment of bioelectrocatalysis, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2114097119
- إيسثير إدوارادس مور وآخرون، Understanding the local chemical environment of bioelectrocatalysis, Proceedings of the National Academy of Sciences (2022). DOI: 10.1073/pnas.2114097119
