المهندسون يجعلون تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات مفيدة أكثر عملية

في حين يكافح العالم من أجل الحد من انبعاثات الغازات المسببة للانحباس الحراري العالمي، يسعى الباحثون إلى إيجاد سبل عملية واقتصادية لالتقاط ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى منتجات مفيدة، مثل وقود النقل، والمواد الخام الكيميائية، أو حتى مواد البناء.

ولكن حتى الآن، ناضلت مثل هذه المحاولات من أجل تحقيق الجدوى الاقتصادية.

قد تؤدي الأبحاث الجديدة التي أجراها المهندسون في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا إلى تحسينات سريعة في مجموعة متنوعة من الأنظمة الكهروكيميائية التي قيد التطوير لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى سلعة ثمينة.

وقد طور الفريق تصميمًا جديدًا للأقطاب الكهربائية المستخدمة في هذه الأنظمة، مما يزيد من كفاءة عملية التحويل.

ونشرت النتائج في مجلة Nature Communications ، في ورقة بحثية كتبها طالب الدكتوراه في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا سيمون روفر، وأستاذ الهندسة الميكانيكية كريبا فاراناسي، وثلاثة آخرين.

تحويل الكربون إلى منتجات مفيدة

يقول فاراناسي: “إن مشكلة ثاني أكسيد الكربون تشكل تحدياً كبيراً في عصرنا، ونحن نستخدم كل أنواع الروافع لحل هذه المشكلة ومعالجتها”، ويضيف أنه سيكون من الضروري إيجاد سبل عملية لإزالة الغاز، سواء من مصادر مثل انبعاثات محطات الطاقة، أو مباشرة من الهواء أو المحيطات. ولكن بعد إزالة ثاني أكسيد الكربون، يجب أن يذهب إلى مكان ما .

ويقول فاراناسي، إن مجموعة متنوعة من الأنظمة تم تطويرها لتحويل هذا الغاز الملتقط إلى منتج كيميائي مفيد، “ليس الأمر أننا لا نستطيع القيام بذلك – بل إننا قادرون على القيام بذلك. ولكن السؤال هو كيف يمكننا جعل هذا فعالاً؟ كيف يمكننا جعل هذا فعالاً من حيث التكلفة؟”

تحويل الكربون إلى منتجات مفيدة

التحويل الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون

وفي الدراسة الجديدة، ركز الفريق على التحويل الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون إلى إيثيلين، وهي مادة كيميائية تستخدم على نطاق واسع، ويمكن تحويلها إلى مجموعة متنوعة من البلاستيك، وكذلك الوقود، والتي يتم تصنيعها اليوم من البترول.

ولكن يقول الباحثون، إن النهج الذي طوروه يمكن تطبيقه أيضًا على إنتاج منتجات كيميائية أخرى عالية القيمة، بما في ذلك الميثان والميثانول وأول أكسيد الكربون وغيرها.

في الوقت الحالي، يباع الإيثيلين بحوالي 1000 دولار للطن، لذا فإن الهدف هو أن نتمكن من تلبية هذا السعر أو التغلب عليه.

تتضمن العملية الكهروكيميائية التي تحول ثاني أكسيد الكربون إلى إيثيلين محلولًا قائمًا على الماء ومادة محفزة، والتي تتلامس مع تيار كهربائي في جهاز يسمى قطب انتشار الغاز.

هناك خاصيتان متنافستان لمواد أقطاب انتشار الغاز تؤثر على أدائها: يجب أن تكون موصلات كهربائية جيدة حتى لا يهدر التيار الذي يحرك العملية من خلال التسخين بالمقاومة، ولكن يجب أن تكون أيضًا “كارهة للماء” أو طاردة للماء، حتى لا يتسرب محلول الإلكتروليت القائم على الماء ويتداخل مع التفاعلات التي تحدث على سطح القطب.

ولكن لسوء الحظ، فإن الأمر عبارة عن مقايضة بين الأمرين، فتحسين الموصلية يقلل من كراهية الماء، والعكس صحيح.
وقد شرع فاراناسي وفريقه في محاولة معرفة ما إذا كان بوسعهم إيجاد طريقة للتغلب على هذا الصراع، وبعد عدة أشهر من المحاولة، نجحوا في تحقيق ذلك.

تحويل الكربون إلى منتجات مفيدة

الحل الذي ابتكره روفر وفاراناسي أنيق في بساطته.

فقد استخدما مادة بلاستيكية، وهي مادة PTFE (التيفلون في الأساس)، والتي من المعروف أنها تتمتع بخواص كارهة للماء، ومع ذلك، فإن افتقار مادة PTFE إلى الموصلية يعني أن الإلكترونات يجب أن تنتقل عبر طبقة رقيقة للغاية من المحفز، مما يؤدي إلى انخفاض كبير في الجهد مع المسافة، وللتغلب على هذا القيد، نسج الباحثون سلسلة من الأسلاك النحاسية الموصلة عبر الطبقة الرقيقة للغاية من مادة PTFE.

ويقول فاراناسي: “لقد عالج هذا العمل هذا التحدي حقًا، حيث يمكننا الآن الحصول على كل من الموصلية والكراهية للماء”.

تميل الأبحاث المتعلقة بأنظمة تحويل الكربون المحتملة إلى أن تُجرى على عينات صغيرة للغاية على نطاق المختبر، وعادة ما تكون أقل من بوصة واحدة (2.5 سنتيمتر) مربعة.

ولإثبات إمكانية توسيع النطاق، أنتج فريق فاراناسي ورقة أكبر بعشر مرات في المساحة وأثبت فعاليتها.

وللوصول إلى هذه النقطة، كان عليهم إجراء بعض الاختبارات الأساسية التي لم يسبق على ما يبدو إجراؤها من قبل، وذلك بإجراء الاختبارات في ظل ظروف متطابقة ولكن باستخدام أقطاب كهربائية بأحجام مختلفة لتحليل العلاقة بين الموصلية وحجم القطب الكهربائي.

ووجدوا أن الموصلية انخفضت بشكل كبير مع الحجم، وهو ما يعني الحاجة إلى قدر أعظم كثيراً من الطاقة، وبالتالي التكلفة، لتحريك التفاعل.

تحويل الكربون إلى منتجات مفيدة

لم يسبق لأحد أن بحث في الأمر بجدية

يقول روفر: “هذا هو بالضبط ما كنا نتوقعه، ولكن لم يسبق لأحد أن بحث في الأمر بجدية من قبل”، بالإضافة إلى ذلك، أنتجت الأحجام الأكبر المزيد من المنتجات الثانوية الكيميائية غير المرغوب فيها إلى جانب الإيثيلين المقصود.

يقول الباحثون، إن التطبيقات الصناعية في العالم الحقيقي تتطلب أقطابًا كهربائية أكبر بنحو 100 مرة من الإصدارات المعملية، لذا فإن إضافة الأسلاك الموصلة ستكون ضرورية لجعل مثل هذه الأنظمة عملية.

كما طوروا نموذجًا يلتقط التباين المكاني في توزيع الجهد والمنتجات على الأقطاب الكهربائية بسبب الخسائر الأومية.

وقد مكنهم النموذج، إلى جانب البيانات التجريبية التي جمعوها، من حساب المسافة المثلى للأسلاك الموصلة لمقاومة الانخفاض في الموصلية.

من خلال نسج السلك عبر المادة، يتم تقسيم المادة إلى أقسام فرعية أصغر يتم تحديدها من خلال المسافة بين الأسلاك.

يقول روفر: “نحن نقسمها إلى مجموعة من الأجزاء الفرعية الصغيرة، كل منها عبارة عن قطب كهربائي أصغر حجمًا، وكما رأينا، يمكن للأقطاب الكهربائية الصغيرة أن تعمل بشكل جيد حقًا”.

نظرًا لأن السلك النحاسي أكثر توصيلًا بكثير من مادة PTFE، فهو يعمل كنوع من الطريق السريع للإلكترونات المارة، ويربط بين المناطق التي تكون محصورة فيها بالركيزة وتواجه مقاومة أكبر.

دمجها بسهولة في عمليات التصنيع الحالية

ولإثبات قوة نظامهم، قام الباحثون بتشغيل قطب اختبار لمدة 75 ساعة متواصلة، دون تغيير يذكر في الأداء.

ويقول روفر، إن نظامهم “هو أول قطب كهربائي قائم على مادة PTFE يتجاوز مقياس المختبر بحوالي 5 سنتيمترات أو أقل، وهو أول عمل يتقدم إلى نطاق أكبر بكثير وقد فعل ذلك دون التضحية بالكفاءة”.

وأضاف أن عملية النسيج لدمج الأسلاك يمكن دمجها بسهولة في عمليات التصنيع الحالية، حتى في عملية اللفة إلى اللفة واسعة النطاق.

يقول روفر: “إن نهجنا قوي للغاية لأنه لا علاقة له بالمحفز الفعلي المستخدم.

يمكنك خياطة هذا السلك النحاسي الميكرومتري في أي قطب انتشار غازي تريده، بغض النظر عن مورفولوجيا المحفز أو كيمياءه، لذا، يمكن استخدام هذا النهج لقياس قطب أي شخص”.

يقول فاراناسي: “نظرًا لأننا سنحتاج إلى معالجة جيجا طن من ثاني أكسيد الكربون سنويًا لمكافحة تحدي ثاني أكسيد الكربون، فنحن بحاجة حقًا إلى التفكير في حلول قابلة للتطوير، إن البدء بهذه العقلية يمكّننا من تحديد الاختناقات الحرجة وتطوير أساليب مبتكرة يمكن أن تحدث تأثيرًا ذا مغزى في حل المشكلة، إن قطبنا الكهربائي الموصل الهرمي هو نتيجة لمثل هذا التفكير”.