دی اکسید کربن (CO2) یک گاز گلخانهای مهم است. گازهای گلخانهای گرمای نور خورشید را به دام میاندازند و باعث گرم شدن کره زمین میشوند افزایش غلظت دیاکسیدکربن (CO₂) در جو یکی از مهمترین عوامل تغییرات اقلیمی و گرمایش زمین به شمار میرود. اندازهگیریهای علمی نشان میدهد غلظت این گاز از آغاز عصر صنعتی تاکنون بیش از ۵۰ درصد افزایش یافته است؛ افزایشی که عمدتاً به مصرف گسترده سوختهای فسیلی نسبت داده میشود.
در سالهای اخیر، فناوریهای متعددی برای جذب و کاهش انتشار CO₂ توسعه یافتهاند، اما بسیاری از آنها تنها بر جمعآوری کربن تمرکز دارند و برای تبدیل آن به محصولات ارزشمند به مراحل جداگانه و پرهزینه نیاز دارند. این فناوری جدید، انتشار کربن روزمره را به یک ماده شیمیایی مفید تبدیل میکند. دانشمندان نوع جدیدی از الکترود را توسعه دادهاند که میتواند CO2 را از هوا جذب کرده و بلافاصله آن را به یک ماده شیمیایی مفید به نام اسید فرمیک تبدیل کند. در آزمایشهای آزمایشگاهی، این سیستم در مواجهه با گاز دودکش شبیهسازی شده و حتی زمانی که سطح CO2 با سطح موجود در هوای آزاد معمولی مطابقت داشت، از طرحهای الکترود موجود بهتر عمل کرد.
وونیونگ چوی، نویسندهی مسئول این مطالعه، توضیح میدهد: «این کار نشان میدهد که جذب و تبدیل کربن نیازی به در نظر گرفتن مراحل جداگانه ندارد. با ادغام هر دو عملکرد در یک الکترود واحد، ما یک مسیر سادهتر برای استفاده از CO2 در شرایط واقعی گاز نشان میدهیم.»
چرا تبدیل CO2 بسیار چالش برانگیز است؟
جذب دی اکسید کربن از هوا ممکن است ساده به نظر برسد، به خصوص که گیاهان این کار را به طور طبیعی انجام میدهند. چالش بزرگتر تبدیل گاز جذب شده به چیزی مفید است، گامی که اگر قرار باشد فناوریهای جذب کربن به طور گسترده مورد استفاده قرار گیرند، ضروری است. در گازهای خروجی واقعی صنعتی، CO2 معمولاً با گازهای دیگر، از جمله نیتروژن و اکسیژن، مخلوط میشود. اکثر سیستمهای تبدیل موجود فقط زمانی کارآمد هستند که دی اکسید کربن از قبل جدا و تغلیظ شده باشد، که این امر کاربرد آنها را محدود میکند.
برای غلبه بر این مانع، دونگلای پان، میونگ هوان اوه، وونیونگ چوی و همکارانشان اقدام به ساخت سیستمی کردند که بتواند در شرایط واقعی کار کند. هدف آنها ساخت دستگاهی بود که بتواند گاز دودکش را همانطور که تولید میشود، مدیریت کند و حتی مقادیر کمی از CO2 جذب شده را به یک محصول ارزشمند تبدیل کند.
طراحی الکترود سه لایه
تیم تحقیقاتی الکترودی طراحی کرد که اجازه میدهد گاز از آن عبور کند، دی اکسید کربن را به دام بیندازد و همزمان آن را تبدیل کند.این دستگاه از سه لایه تشکیل شده است:
- لایه جذبکننده CO₂
- کاغذ کربنی با قابلیت عبور گاز
- لایه کاتالیستی مبتنی بر اکسید قلع
ترکیب این سه بخش امکان تبدیل مستقیم دیاکسیدکربن به اسید فرمیک را فراهم میکند.
اسید فرمیک یک ماده شیمیایی مهم است که در طیف وسیعی از کاربردها، از جمله سلولهای سوختی و سایر فرآیندهای صنعتی استفاده میشود. تولید مستقیم آن از گازهای خروجی میتواند استفاده مجدد از کربن را عملیتر و مقرون به صرفهتر کند.
عملکرد در شرایط واقعی
هنگام آزمایش با گاز CO2 خالص، الکترود جدید حدود 40٪ راندمان بالاتری نسبت به الکترودهای تبدیل کربن موجود در شرایط آزمایشگاهی مشابه نشان داد. این مزیت زمانی آشکارتر شد که محققان از گاز دودکش شبیهسازی شده حاوی 15٪ دی اکسید کربن، 8٪ گاز اکسیژن و 77٪ گاز نیتروژن استفاده کردند. در این شرایط، سیستم جدید به تولید مقادیر قابل توجهی اسید فرمیک ادامه داد، در حالی که سایر فناوریها مقدار بسیار کمی تولید کردند.
این الکترود همچنین قادر به جذب دی اکسید کربن در غلظتهای مشابه با غلظتهای موجود در جو بود و نشان داد که میتواند در هوای محیط نیز عملکرد خوبی داشته باشد. به گفته محققان، این رویکرد مسیری امیدوارکننده برای ادغام جذب کربن در کاربردهای صنعتی واقعی ارائه میدهد. آنها همچنین پیشنهاد میکنند که طرحهای مشابه در نهایت میتوانند برای جذب و تبدیل سایر گازهای گلخانهای، از جمله متان، تطبیق داده شوند.
چشمانداز آینده
به اعتقاد پژوهشگران، این فناوری میتواند رویکردی جدید برای ادغام فرآیندهای جذب و استفاده مجدد از کربن ارائه دهد. در صورت توسعه بیشتر، چنین سامانههایی میتوانند علاوه بر دیاکسیدکربن، برای جذب و تبدیل سایر گازهای گلخانهای نیز مورد استفاده قرار گیرند.
اگرچه این فناوری هنوز در مرحله تحقیقاتی قرار دارد، اما نتایج اولیه نشان میدهد که ترکیب جذب و تبدیل کربن در یک سامانه واحد میتواند هزینهها را کاهش داده و استفاده عملی از فناوریهای مدیریت انتشار کربن را تسهیل کند؛ موضوعی که در مسیر دستیابی به اقتصاد کمکربن اهمیت فزایندهای خواهد داشت.
منابع: