قام العلماء بتطوير أغشية جرافين متقدمة رفيعة الذرة مع نيتروجين بيريديني عند حواف المسام، مما يظهر أداءً غير مسبوق في التقاط ثاني أكسيد الكربون، يمثل خطوة كبيرة نحو تقنيات احتجاز الكربون الأكثر كفاءة.
بينما يكافح العالم تغير المناخ، أصبحت الحاجة إلى تقنيات احتجاز الكربون التي تتسم بالكفاءة والفعالية من حيث التكلفة أكثر إلحاحا من أي وقت مضى.
ومن هذا المنطلق، يستكشف العلماء عددا من الابتكارات الرامية إلى الحد بشكل كبير من انبعاثات الكربون الصناعية، وهو أمر محوري في التخفيف من ظاهرة الاحتباس الحراري.
وإحدى هذه التقنيات هي احتجاز الكربون واستخدامه وتخزينه، وهي تقنية بالغة الأهمية تعمل على تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من المصادر الصناعية التي يصعب تخفيفها مثل محطات الطاقة، ومصانع الأسمنت، ومصانع الصلب، ومحارق النفايات.
لكن أساليب الالتقاط الحالية تعتمد على عمليات كثيفة الاستخدام للطاقة، مما يجعلها مكلفة وغير مستدامة.
تهدف الأبحاث الآن إلى تطوير أغشية يمكنها التقاط ثاني أكسيد الكربون بشكل انتقائي بكفاءة عالية، وبالتالي تقليل تكاليف الطاقة والتكاليف المالية المرتبطة بتقنية احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتخزينه.
ولكن حتى الأغشية الحديثة، مثل أغشية البوليمر الرقيقة، محدودة من حيث نفاذية ثاني أكسيد الكربون وانتقائيتها، مما يحد من قابليتها للتوسع.
لذا فإن التحدي يتمثل في إنشاء أغشية يمكنها أن توفر في نفس الوقت نفاذية وانتقائية عالية لثاني أكسيد الكربون، وهو أمر بالغ الأهمية لالتقاط الكربون بشكل فعال .
أداءً استثنائيًا في التقاط ثاني أكسيد الكربون
حقق فريق من العلماء بقيادة كومار فارون أغراوال في EPFL تقدمًا كبيرًا في هذا المجال من خلال تطوير أغشية تُظهر أداءً استثنائيًا في التقاط ثاني أكسيد الكربون من خلال دمج النيتروجين البيريديني عند حواف مسام الجرافين .
تحقق الأغشية توازنًا ملحوظًا بين نفاذية ثاني أكسيد الكربون العالية والانتقائية، مما يجعلها واعدة للغاية لمختلف التطبيقات الصناعية.
تم نشر العمل في مجلة Nature Energy ، بدأ الباحثون بتجميع أفلام الجرافين أحادية الطبقة باستخدام ترسيب البخار الكيميائي على رقائق النحاس.
لقد أدخلوا المسام في الجرافين من خلال الأكسدة الخاضعة للرقابة مع الأوزون، والتي شكلت المسام الوظيفية لذرة الأكسجين.
تفاعل الجرافين المؤكسد مع الأمونيا
ثم طوروا طريقة لدمج ذرات النيتروجين عند حافة المسام في شكل بيريدينيك عن طريق تفاعل الجرافين المؤكسد مع الأمونيا في درجة حرارة الغرفة.
وأكد الباحثون الدمج الناجح للنيتروجين البيريديني وتشكيل مجمعات ثاني أكسيد الكربون عند حواف المسام باستخدام تقنيات مختلفة، مثل التحليل الطيفي الضوئي بالأشعة السينية والمجهر النفقي الماسح.
أدى دمج بيريدينيك N إلى تحسين ملحوظ في ربط ثاني أكسيد الكربون بمسام الجرافين.
أظهرت الأغشية الناتجة عامل فصل CO 2 /N 2 مرتفعًا، بمتوسط 53 لتيار غاز يحتوي على 20 %من % CO 2 ، ومن اللافت للنظر أن التيارات التي تحتوي على حوالي 1% من ثاني أكسيد الكربون، حققت عوامل فصل أعلى من 1000 بسبب الارتباط التنافسي والعكس لثاني أكسيد الكربون عند حواف المسام، والذي تم تسهيله بواسطة النيتروجين البيريديني.
حلول أكثر استدامة واقتصادية
وأظهر العلماء أيضًا أن عملية تحضير الغشاء قابلة للتطوير، مما ينتج عنه أغشية عالية الأداء على مقياس سنتيمتر.
وهذا أمر بالغ الأهمية للتطبيقات العملية، وهذا يعني أنه يمكن نشر الأغشية في البيئات الصناعية واسعة النطاق.
يمكن للأداء العالي لأغشية الجرافين هذه في احتجاز ثاني أكسيد الكربون، حتى من تيارات الغاز المخففة، أن يقلل بشكل كبير من التكاليف ومتطلبات الطاقة لعمليات احتجاز الكربون.
يفتح هذا الابتكار آفاقًا جديدة في مجال علوم الأغشية، مما قد يؤدي إلى حلول CCUS أكثر استدامة واقتصادية.
الكيمياء الموحدة والقابلة للتطوير المستخدمة في إنشاء الأغشية تعني أنه يمكن توسيع نطاقها قريبًا.
ويتطلع الفريق الآن إلى إنتاج هذه الأغشية من خلال عملية اللف المستمر.
تعدد استخدامات هذه الأغشية وكفاءتها يمكن أن يغير كيفية إدارة الصناعات لانبعاثاتها والمساهمة في بيئة أنظف.
