يعمل التحرير والسرد التحفيزي على تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى ألياف نانوية كربونية صلبة
بقلم كتاب فريق عمل BNL News
أبتون نيويورك (SPX) 12 يناير 2024
طور علماء في مختبر بروكهافن الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية وجامعة كولومبيا طريقة لتحويل ثاني أكسيد الكربون، وهو أحد غازات الدفيئة القوية، إلى ألياف نانوية كربونية، وهي مواد ذات نطاق واسع من الخصائص الفريدة والعديد من الخصائص المحتملة طويلة الأمد. استخدامات المصطلح. تستخدم استراتيجيتهم تفاعلات كهروكيميائية وكيميائية حرارية ترادفية تجري عند درجات حرارة منخفضة نسبيًا وضغط محيطي. وكما وصف العلماء في مجلة Nature Catalogy، يمكن لهذا النهج أن يحبس الكربون بنجاح في شكل صلب مفيد لتعويض أو حتى تحقيق انبعاثات الكربون السلبية.
قال جينغوانغ تشن، أستاذ الهندسة الكيميائية في جامعة كولومبيا والذي قاد البحث في مختبر بروكهافن: "يمكنك وضع ألياف الكربون النانوية في الأسمنت لتقوية الأسمنت". "وهذا من شأنه أن يحبس الكربون في الخرسانة لمدة 50 عامًا على الأقل، وربما لفترة أطول. وبحلول ذلك الوقت، ينبغي أن يتحول العالم إلى مصادر الطاقة المتجددة في المقام الأول والتي لا تنبعث منها الكربون.
وكمكافأة، تنتج هذه العملية أيضًا غاز الهيدروجين (H2)، وهو وقود بديل واعد لا ينتج عنه أي انبعاثات عند استخدامه.
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 يؤدي إلى حدوث تسربات. والعديد من تحويلات ثاني أكسيد الكربون تنتج مواد كيميائية أو وقود قائم على الكربون يتم استخدامه على الفور، مما يؤدي إلى إطلاق ثاني أكسيد الكربون مباشرة إلى الغلاف الجوي.
وقال تشين: "الجديد في هذا العمل هو أننا نحاول تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى شيء ذي قيمة مضافة ولكن في شكل قوي ومفيد".
تتمتع هذه المواد الكربونية الصلبة - بما في ذلك أنابيب الكربون النانوية والألياف النانوية ذات الأبعاد التي تبلغ أجزاء من المليار من المتر - بالعديد من الخصائص الجذابة، بما في ذلك القوة والتوصيل الحراري والكهربائي. ولكن ليس من السهل استخلاص الكربون من ثاني أكسيد الكربون وتجميعه في هذه الهياكل الدقيقة. تتطلب إحدى العمليات المباشرة التي تعتمد على الحرارة درجات حرارة تزيد عن 1,000 درجة مئوية.
وقال تشين: "إنه أمر غير واقعي للغاية بالنسبة للتخفيف من ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع". "في المقابل، وجدنا عملية يمكن أن تحدث عند حوالي 2 درجة مئوية، وهي درجة حرارة أكثر عملية ويمكن تحقيقها صناعيا."
جنبا إلى جنب من خطوتين
كانت الحيلة هي تقسيم التفاعل إلى مراحل واستخدام نوعين مختلفين من المحفزات، وهي المواد التي تسهل على الجزيئات التجمع معًا والتفاعل.
"إذا قمت بفصل التفاعل إلى عدة خطوات تفاعل فرعي، فيمكنك التفكير في استخدام أنواع مختلفة من مدخلات الطاقة والمحفزات لجعل كل جزء من التفاعل يعمل"، قال عالم أبحاث Brookhaven Lab وجامعة كولومبيا Zhenhua Xie، المؤلف الرئيسي لهذه الورقة.
بدأ العلماء بإدراك أن أول أكسيد الكربون (CO) هو مادة أولية أفضل بكثير من ثاني أكسيد الكربون لصنع ألياف الكربون النانوية (CNF). ثم تراجعوا للعثور على الطريقة الأكثر فعالية لتوليد ثاني أكسيد الكربون من ثاني أكسيد الكربون.
وقد قادهم العمل السابق لمجموعتهم إلى استخدام محفز كهربائي متاح تجاريًا مصنوع من البلاديوم المدعم بالكربون. تقود المحفزات الكهربائية التفاعلات الكيميائية باستخدام تيار كهربائي. في وجود الإلكترونات والبروتونات المتدفقة، يقوم المحفز بتقسيم كل من ثاني أكسيد الكربون والماء (H2O) إلى ثاني أكسيد الكربون والهيدروجين.
بالنسبة للخطوة الثانية، لجأ العلماء إلى المحفز الحراري المنشط بالحرارة والمصنوع من سبيكة الحديد والكوبالت. إنه يعمل عند درجات حرارة حوالي 400 درجة مئوية، وهي أقل بكثير مما يتطلبه التحويل المباشر من ثاني أكسيد الكربون إلى CNF. واكتشفوا أيضًا أن إضافة القليل من الكوبالت المعدني الإضافي يعزز بشكل كبير تكوين ألياف الكربون النانوية.
وقال تشين: "من خلال الجمع بين التحفيز الكهربائي والتحفيز الحراري، فإننا نستخدم هذه العملية الترادفية لتحقيق أشياء لا يمكن تحقيقها من خلال أي من العمليتين وحدهما".
توصيف المحفز
ولاكتشاف تفاصيل كيفية عمل هذه المحفزات، أجرى العلماء مجموعة واسعة من التجارب. وشملت هذه الدراسات دراسات النمذجة الحاسوبية، ودراسات التوصيف الفيزيائي والكيميائي في مصدر ضوء السنكروترون الوطني II (NSLS-II) التابع لمختبر بروكهافن - باستخدام خطوط شعاع الامتصاص والتشتت السريع للأشعة السينية (QAS) والتحليل الطيفي للقشرة الداخلية (ISS) - والتصوير المجهري. في منشأة المجهر الإلكتروني في مركز المختبر للمواد النانوية الوظيفية (CFN).
على صعيد النمذجة، استخدم العلماء حسابات "نظرية الكثافة الوظيفية" (DFT) لتحليل الترتيبات الذرية والخصائص الأخرى للمحفزات عند التفاعل مع البيئة الكيميائية النشطة.
وأوضح المؤلف المشارك في الدراسة بينج ليو من قسم الكيمياء في بروكهافن والذي قاد هذه الحسابات: "نحن ننظر إلى الهياكل لتحديد المراحل المستقرة للمحفز في ظل ظروف التفاعل". "نحن ننظر إلى المواقع النشطة وكيفية ارتباط هذه المواقع مع وسيط التفاعل. ومن خلال تحديد الحواجز، أو الحالات الانتقالية، من خطوة إلى أخرى، نتعلم بالضبط كيف يعمل المحفز أثناء التفاعل.
تتبعت تجارب حيود الأشعة السينية وامتصاص الأشعة السينية في NSLS-II كيفية تغير المحفزات فيزيائيًا وكيميائيًا أثناء التفاعلات. 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 كل من الهيدروجين وثاني أكسيد الكربون في مرحلة التفاعل الأولى.
وقال شيه: "بالنسبة للمرحلة الثانية، أردنا 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 ضرورية لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى ألياف نانوية كربونية.
قال ليو، الذي ساعدت حساباته DFT في تفسير العملية: "يعمل الاثنان معًا بشكل تسلسلي".
"وفقًا لدراستنا، تساعد مواقع الحديد والكوبالت في السبائك على كسر روابط ثاني أكسيد الكربون لأول أكسيد الكربون. وهذا يجعل الكربون الذري متاحًا ليكون بمثابة مصدر لبناء ألياف الكربون النانوية. وأوضحت بعد ذلك أن الكوبالت الإضافي موجود لتسهيل تكوين روابط CC التي تربط ذرات الكربون.
جاهز لإعادة التدوير، خالي من الكربون
قالت عالمة CFN والمؤلفة المشاركة في الدراسة سويون هوانج: "كشف تحليل المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) الذي أجري في CFN عن الأشكال والهياكل البلورية والتوزيعات العنصرية داخل ألياف الكربون النانوية مع وبدون محفزات".
تظهر الصور أنه مع نمو ألياف الكربون النانوية، يتم دفع المحفز للأعلى وبعيدًا عن السطح. وقال تشين إن ذلك يجعل من السهل إعادة تدوير المعدن الحفاز.
وقال: "نحن نستخدم الحمض لتصفية المعدن دون تدمير ألياف الكربون النانوية حتى نتمكن من تركيز المعادن وإعادة تدويرها لاستخدامها كمحفز مرة أخرى".
وقال الباحثون إن سهولة إعادة تدوير المحفزات، والتوافر التجاري للمحفزات، وظروف التفاعل المعتدلة نسبيًا للتفاعل الثاني، كلها تساهم في تقييم إيجابي للطاقة والتكاليف الأخرى المرتبطة بالعملية.
قال تشين: "بالنسبة للتطبيقات العملية، كلاهما مهم حقًا - تحليل بصمة ثاني أكسيد الكربون وقابلية إعادة تدوير المحفز". "تُظهر نتائجنا الفنية وهذه التحليلات الأخرى أن هذه الإستراتيجية الترادفية تفتح الباب لإزالة الكربون من ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات كربونية صلبة ذات قيمة مع إنتاج الهيدروجين المتجدد."
وإذا كانت هذه العمليات مدفوعة بالطاقة المتجددة، فإن النتائج سوف تكون سلبية حقاً فيما يتصل بالكربون، وهو ما من شأنه أن يفتح فرصاً جديدة للتخفيف من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
تقرير البحث:تثبيت ثاني أكسيد الكربون في ألياف الكربون النانوية باستخدام الحفز الترادفي الكهروكيميائي الحراري
روابط ذات صلة
مختبر بروكهافن الوطني
عوالم الكربون - حيث يلتقي الجرافيت والماس وغير المتبلور والفوليرين
- محتوى مدعوم من تحسين محركات البحث وتوزيع العلاقات العامة. تضخيم اليوم.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. تمكين نفسك. الوصول هنا.
- أفلاطونايستريم. ذكاء Web3. تضخيم المعرفة. الوصول هنا.
- أفلاطون كربون، كلينتك ، الطاقة، بيئة، شمسي، إدارة المخلفات. الوصول هنا.
- أفلاطون هيلث. التكنولوجيا الحيوية وذكاء التجارب السريرية. الوصول هنا.
- المصدر https://www.spacedaily.com/reports/Catalytic_combo_converts_CO2_to_solid_carbon_nanofibers_999.html
