الطباعة ثلاثية الأبعاد بالكربون الملتقط قد تساعد في معالجة تغير المناخ

يبدو الأمر جيدًا لدرجة يصعب تصديقها، لكن دراسة حديثة نُشرت في مجلة Nature Communications تصف عملية رائدة محتملة حيث يتم تحويل ثاني أكسيد الكربون (CO 2 ) إلى مركبات نانوية كربونية مطبوعة ثلاثية الأبعاد .

يمكن أن يكون النظام المتكامل بمثابة تغيير جذري في مكافحة تغير المناخ كما يوفر للشركات الحافز المالي الذي تحتاجه للاستثمار في تقنيات احتجاز الكربون .

بدأ هذا المشروع، الذي قاده الدكتور كلفن فو من جامعة ديلاوير والدكتور فينج جياو من جامعة واشنطن، بهدف بسيط ولكنه طموح: المساعدة في التخفيف من تلوث الكربون مع صناعة مواد عالية الأداء في نفس الوقت.

ولكن كيف يمكنك القيام بالأمرين في نفس الوقت؟ الحل الذي توصلوا إليه: تزويد الشركات بمنتج ذي قيمة مضافة – أنابيب الكربون النانوية (CNTs) – والتي يمكن تصنيعها من ثاني أكسيد الكربون الملتقط مباشرة من الغلاف الجوي.

ومن خلال القيام بذلك، سيتم تحفيز الشركات على تبني تقنيات عزل الكربون من أجل إنشاء المواد القيمة التي تريدها، ونحصل على بيئة أنظف في هذه العملية.

تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أنابيب نانوية كربونية

تبدأ العملية بخطوتين، أولاً، يتم ضخ ثاني أكسيد الكربون في آلة التحليل الكهربائي حيث يتفاعل مع كومة محلل كهربائي بحجم 200 سم 2.

تتفاعل الكومة، التي تحتوي على كاثودات الفضة (Ag) وأنودات الإيريديوم (Ir) ومحلول إلكتروليت بيكربونات السيزيوم (CsHCO 3 ، مع ثاني أكسيد الكربون وتحوله إلى أول أكسيد الكربون (CO) والأكسجين.

بمجرد توليده، يتم توجيه ثاني أكسيد الكربون إلى المفاعل الكيميائي الحراري حيث يتفاعل بعد ذلك مع صوف الفولاذ الفعال من حيث التكلفة.

وهنا يتفكك أول أكسيد الكربون على محفز صوف الفولاذ وتبدأ أنابيب الكربون النانوية في النمو. عندما يكتمل التفاعل، يمكن حصاد الأنابيب وتكون جاهزة للطباعة ثلاثية الأبعاد.

يمكن للنظام المركب أن يعمل بشكل مستمر لأكثر من 45 ساعة وينتج 37 جرامًا من أنابيب الكربون النانوية.

كما يقلل بشكل كبير من تكلفة تصنيع أنابيب الكربون النانوية بنحو 90٪، حيث تنخفض من 100 دولار للكيلوجرام إلى 9.50 دولارًا للكيلوغرام. حتى أن العلماء لاحظوا أنه مع المزيد من التحسينات، يمكن نظريًا خفض هذه التكلفة إلى 6.00 دولار للكيلوجرام.

الطباعة ثلاثية الأبعاد للمركبات الكربونية النانوية

ولتصنيع المركبات النانوية الكربونية المطبوعة بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، يتم دمج الأنابيب النانوية الكربونية في خيوط من حمض البوليكتيك، والتي تعمل كمادة رابطة للأنابيب النانوية الكربونية.

ويتم تحميل الخيوط بنسبة 40% من الوزن لزيادة أقصى قدر من استخدام ثاني أكسيد الكربون وضمان سلامة هيكل الأنابيب النانوية الكربونية بعد إزالة حمض البوليكتيك.

ثم يتم طباعة الخيوط بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالشكل المطلوب، ويتم إزالة حمض البوليكتيك من خلال عملية التسخين.
وما يتبقى هو سقالة مصنوعة من الأنابيب النانوية الكربونية فقط. ويمكن بعد ذلك تغليف السقالة بمادة أخرى، مثل راتنجات الإيبوكسي، لتعزيز قوة المنتج النهائي ومتانته.

في هذه الدراسة، قام الباحثون بتغليف سقالة أنابيب الكربون النانوية المطبوعة ثلاثية الأبعاد براتنج الإيبوكسي، مما أدى إلى إنتاج مادة تحتوي على 38% من أنابيب الكربون النانوية.

أظهر المركب الناتج تحسنات مذهلة في كل من الخصائص الميكانيكية والتوصيل الكهربائي عند مقارنته بعينات الإيبوكسي النقية، كما أظهروا القدرة على طباعة أشكال معقدة ثلاثية الأبعاد مثل هيكل قرص العسل وحتى رأس الخنزير.