محفز جديد مقاوم للملوثات قد يساعد في التقاط الكربون مباشرة من المداخن.. يحوله إلى منتجات قيمة بكفاءة

نجح باحثون في قسم الهندسة بجامعة تورنتو في ابتكار محفز جديد يحول الكربون الملتقط إلى منتجات قيمة بكفاءة، حتى في وجود ملوث يتسبب في تدهور أداء الإصدارات الحالية.

ويعد هذا الاكتشاف خطوة مهمة نحو تقنيات أكثر ملاءمة اقتصاديًا لالتقاط الكربون وتخزينه والتي يمكن إضافتها إلى العمليات الصناعية الحالية.

يقول البروفيسور ديفيد سينتون، المؤلف الرئيسي في ورقة بحثية نُشرت في مجلة Nature Energy والتي تصف المحفز الجديد: “اليوم، لدينا خيارات أكثر وأفضل لتوليد الكهرباء منخفضة الكربون أكثر من أي وقت مضى”.

ويضيف “ولكن هناك قطاعات أخرى من الاقتصاد سيكون من الصعب إزالة الكربون منها: على سبيل المثال، صناعة الصلب والأسمنت، ولمساعدة هذه الصناعات، يتعين علينا ابتكار طرق فعالة من حيث التكلفة لالتقاط الكربون في مجاري النفايات وتحديثه”.

صنع أشياء يومية مثل البلاستيك

يستخدم سينتون وفريقه أجهزة تُعرف باسم أجهزة التحليل الكهربائي لتحويل ثاني أكسيد الكربون والكهرباء إلى منتجات مثل الإيثيلين والإيثانول، ويمكن بيع هذه الجزيئات القائمة على الكربون كوقود أو استخدامها كمواد خام كيميائية لصنع أشياء يومية مثل البلاستيك.

داخل المحلل الكهربائي، يحدث تفاعل التحويل عندما تتجمع ثلاثة عناصر – غاز ثاني أكسيد الكربون، والإلكترونات، وإلكتروليت سائل قائم على الماء – على سطح محفز صلب.

غالبًا ما يكون المحفز مصنوعًا من النحاس ولكنه قد يحتوي أيضًا على معادن أخرى أو مركبات عضوية يمكنها تحسين النظام بشكل أكبر.

وتتمثل وظيفته في تسريع التفاعل وتقليل تكوين المنتجات الجانبية غير المرغوب فيها، مثل غاز الهيدروجين، مما يقلل من كفاءة العملية الإجمالية.

في حين نجحت العديد من الفرق البحثية في مختلف أنحاء العالم في إنتاج محفزات عالية الأداء، فإن جميعها تقريباً مصممة للعمل باستخدام ثاني أكسيد الكربون النقي، ولكن إذا كان الكربون المعني يأتي من المداخن، فمن المرجح أن يكون الكربون الناتج عن هذه العملية بعيداً كل البعد عن النقاء.

يقول بانوس بابانجيلاكيس، طالب الدكتوراه في الهندسة الميكانيكية وأحد المؤلفين الخمسة المشاركين في الدراسة الجديدة: “مصممو المحفزات عمومًا لا يحبون التعامل مع الشوائب، ولسبب وجيه”، “تتسبب أكاسيد الكبريت، مثل SO 2، في تسمم المحفز عن طريق الارتباط بالسطح، وهذا يترك عددًا أقل من المواقع لتفاعل ثاني أكسيد الكربون، كما يتسبب أيضًا في تكوين مواد كيميائية لا تريدها.

ويوضح “يحدث ذلك بسرعة كبيرة: في حين أن بعض المحفزات يمكن أن تستمر لمئات الساعات على تغذية نقية، إذا قمت بإدخال هذه الشوائب، فقد تنخفض كفاءتها إلى 5% في غضون دقائق.”

عيوب الطرق التقليدية

على الرغم من وجود طرق راسخة لإزالة الشوائب من غازات العادم الغنية بثاني أكسيد الكربون قبل إدخالها إلى المحلل الكهربائي، إلا أن هذه الطرق تستغرق وقتًا وتتطلب طاقة وترفع تكلفة احتجاز الكربون وتحسينه، وعلاوة على ذلك، في حالة ثاني أكسيد الكبريت، حتى القليل منه يمكن أن يشكل مشكلة كبيرة.

ويقول بابانجيلاكيس: “حتى لو قمت بخفض غاز العادم إلى أقل من 10 أجزاء في المليون، أو 0.001% من العلف، فإن المحفز لا يزال من الممكن أن يتسمم في أقل من ساعتين”.

تغيرات على محفز نموذجي قائم على النحاس

في هذه الورقة البحثية، يصف الفريق كيف قاموا بتصميم محفز أكثر مرونة قادر على مقاومة ثاني أكسيد الكبريت من خلال إجراء تغييرين رئيسيين على محفز نموذجي قائم على النحاس.

على أحد الجانبين، أضافوا طبقة رقيقة من بولي تيرا فلورو إيثيلين، المعروف أيضًا باسم تفلون، تعمل هذه المادة غير اللاصقة على تغيير الكيمياء على سطح المحفز، مما يعوق التفاعلات التي تمكن التسمم بثاني أكسيد الكبريت من الحدوث.

وعلى الجانب الآخر، أضافوا طبقة من مادة نافيون، وهي بوليمر موصل للكهرباء يستخدم عادة في خلايا الوقود.

تحتوي هذه المادة المعقدة المسامية على بعض المناطق المحبة للماء، أي أنها تجتذب الماء، فضلاً عن مناطق أخرى كارهة للماء، أي أنها تطرد الماء، وهذا الهيكل يجعل من الصعب على ثاني أكسيد الكبريت الوصول إلى سطح المحفز.

ثم قام الفريق بتزويد هذا المحفز بمزيج من ثاني أكسيد الكربون وغاز ثاني أكسيد الكبريت، حيث بلغ تركيز الأخير حوالي 400 جزء في المليون، وهو ما يميز تيار النفايات الصناعية. وحتى في ظل هذه الظروف الصعبة، كان أداء المحفز الجديد جيدًا.

يقول بابانجيلاكيس: “في هذه الدراسة، أبلغنا عن كفاءة فاراداي – وهي مقياس لعدد الإلكترونات التي انتهت في المنتجات المرغوبة – بنسبة 50%، والتي تمكنا من الحفاظ عليها لمدة 150 ساعة”، “هناك بعض المحفزات التي قد تبدأ بكفاءة أعلى، ربما 75% أو 80%، ولكن مرة أخرى، إذا تعرضت لثاني أكسيد الكبريت ، في غضون دقائق أو على الأكثر بضع ساعات، فإن هذه الكفاءة تنخفض إلى الصفر تقريبًا، لقد تمكنا من مقاومة ذلك.”

استخدام طلاءات مماثلة

يقول بابانجيلاكيس، إن نهج فريقه لا يؤثر على تركيبة المحفز نفسه، وبالتالي فإنه ينبغي تطبيقه على نطاق واسع، بعبارة أخرى، ينبغي للفرق التي نجحت بالفعل في إتقان المحفزات عالية الأداء أن تكون قادرة على استخدام طلاءات مماثلة لمنحها مقاومة للتسمم بأكسيد الكبريت.

على الرغم من أن أكاسيد الكبريت هي الشوائب الأكثر تحديًا في مجاري النفايات النموذجية، إلا أنها ليست الشوائب الوحيدة، حيث يتجه الفريق بعد ذلك إلى المجموعة الكاملة من الملوثات الكيميائية.

ويقول بابانجيلاكيس: “هناك الكثير من الشوائب الأخرى التي يجب أخذها في الاعتبار، مثل أكاسيد النيتروجين والأكسجين وما إلى ذلك”، مضيفا “لكن حقيقة أن هذا النهج يعمل بشكل جيد للغاية مع أكاسيد الكبريت أمر واعد للغاية، قبل هذا العمل، كان من المسلم به أنه يتعين عليك إزالة الشوائب قبل ترقية ثاني أكسيد الكربون، ما أظهرناه هو أنه قد تكون هناك طريقة مختلفة للتعامل معها، مما يفتح الكثير من الاحتمالات الجديدة.”