جهاز مبتكر يلتقط ثاني أكسيد الكربون ويحوله إلى منتجات مفيدة

في محاولة لتقليل التأثير البيئي لانبعاثات ثاني أكسيد الكربون، قام باحث بجامعة سنترال فلوريدا بتطوير تقنية جديدة لالتقاط ثاني أكسيد الكربون وإنتاج وقود ومواد كيميائية مفيدة.

يانج يانج، الأستاذ المشارك في مركز تكنولوجيا علوم النانو بجامعة وسط فلوريدا، قام بإنشاء جهاز مبتكر يلتقط ثاني أكسيد الكربون باستخدام سطح مجهري يتكون من طبقة من أكسيد القصدير وطبقة من الفلور.

ثم يقوم الجهاز باستخراج ثاني أكسيد الكربون الغازي عبر قطب كهربائي متفجر، ويحول الغازات بشكل انتقائي إلى أول أكسيد الكربون وحمض الفورميك، وهما من المواد الخام المهمة لتصنيع المواد الكيميائية.

تهدف هذه التقنية، التي تم تفصيلها في دراسة حديثة نشرت في مجلة الجمعية الكيميائية الأمريكية، إلى تقليل البصمة الكربونية للبشرية بشكل مستدام مع معالجة الحاجة إلى إنتاج طاقة بديلة .

ابتكار تكنولوجيا أفضل للعالم أفضل وأنظف

يقول يانج، وهو أيضًا عضو في مجموعة الطاقة المتجددة والتحول الكيميائي (REACT) التابعة لجامعة وسط فلوريدا: “نريد ابتكار تكنولوجيا أفضل لجعل عالمنا أفضل وأنظف، إن وجود كميات كبيرة جدًا من ثاني أكسيد الكربون من شأنه أن يؤدي إلى ظاهرة الاحتباس الحراري على الأرض وسيؤدي إلى ارتفاع درجة حرارتها بسرعة كبيرة، وهذا هو الدافع وراء رغبتنا في تطوير هذه المادة الجديدة للاستفادة منها وتحويلها إلى مواد كيميائية يمكننا استخدامها”.

يمكن أن توجد تقنية التقاط ثاني أكسيد الكربون هذه في محطات الطاقة أو المنشآت الصناعية أو مصانع الإنتاج الكيميائي، حيث يتم التقاط ثاني أكسيد الكربون من الانبعاثات وتحويله إلى منتجات مفيدة.

التصميم ينبع من الطبيعة

ويقول يانج، إن مصدر الإلهام وراء تصميم هذا الجهاز وتخفيف تأثيرنا على البيئة جاء مباشرة من الطبيعة نفسها.
ويضيف “نحن كعلماء نتعلم دائمًا من الطبيعة”، “نريد أن نرى كيف تعمل الحيوانات والأشجار، وفي هذا العمل، تعلمنا من اللوتس، نحن نعلم أن اللوتس له سطح كاره للماء حقًا، مما يعني أنه عندما تسقط الماء على السطح، فإن الماء سيبتعد بسرعة عن السطح. كما نعلم أن النباتات الخضراء تمتص ثاني أكسيد الكربون وتحوله إلى أكسجين من خلال التمثيل الضوئي”.

ساعد اللوتس يانج على تصور تقنية التقاط ثاني أكسيد الكربون التي تحاكي سطح اللوتس، حيث يتم فصل الماء المتساقط على سطح الجهاز الكاره للماء عن تفاعل تحويل ثاني أكسيد الكربون.
ويقول يانج إنه من الضروري إدارة كمية المياه الموجودة على سطح المواد بعناية والتي قد تغمر الجهاز أو تعطل تحويل ثاني أكسيد الكربون.

وبمجرد التقاط غاز ثاني أكسيد الكربون، يتم توجيهه عبر قطب كهربائي وتحويله من خلال عملية أكثر قابلية للتخصيص من عملية التمثيل الضوئي الطبيعية.

مادة أفضل تلتقط بسرعة جزيئات ثاني أكسيد الكربون

يقوم تفاعل اختزال ثاني أكسيد الكربون بالتحفيز الكهربائي بتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية تحتوي على الكربون، مثل الميثانول والميثان والإيثيلين والإيثانول والأسيتات والبروبانول، اعتمادًا على مسارات التفاعل المحددة على المحفزات.

يقول يانج: “نريد أن نبتكر مادة أفضل يمكنها أن تلتقط بسرعة جزيئات ثاني أكسيد الكربون من الهواء وتحولها إلى مواد كيميائية، كل ما نقوم به هو تقليل تركيز ثاني أكسيد الكربون في الهواء وتحويله إلى الحالة السائلة والغازية حتى نتمكن من استخدام هذه المواد الكيميائية المحولة مباشرة في تطبيقات أخرى”.

ويوضح، أن أحد أصعب مكونات البحث كان تقليل كمية المياه المنتشرة على سطح المواد المحفزة عند تعريض مكونات ثاني أكسيد الكربون الغازي في الإلكتروليت السائل، قائلا “إذا كان هناك الكثير من الماء المحيط بالمواد، فقد ينتج الهيدروجين بدلاً من تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية، وهذا من شأنه أن يقلل من كفاءة الطاقة في العملية الإجمالية، إن المواد التي نستخدمها قادرة على صد الماء عن السطح، وبالتالي يمكننا تجنب تكوين الهيدروجين، ويمكننا تعزيز كفاءة تقليل ثاني أكسيد الكربون بشكل كبير، وهذا يعني أنه في نهاية المطاف يمكننا استخدام كل الكهرباء تقريبًا في تفاعلنا”.

تسخير الكهرباء المستدامة بيئياً

هناك العديد من الجهود المبذولة في مختلف أنحاء العالم للحد من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون أو احتجازه أو تحويله، بما في ذلك زراعة الأشجار وتطوير تقنيات احتجاز ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع.

ويقول يانج إنه يأمل أن يعمل جهاز احتجاز ثاني أكسيد الكربون وتحويله كخيار بديل قابل للتطبيق لأساليب أخرى تستغرق وقتا أطول أو أكثر تكلفة، مضيفا، ان تسخير الكهرباء المستدامة بيئياً يمثل خطوة أخرى في تنفيذ تكنولوجيا تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى واقع.

ويقول “في عمليتنا، يمكننا استخدام الكهرباء المتقطعة، مثل الكهرباء القادمة من الألواح الشمسية أو من مزرعة الرياح”.
تعتمد هذه التكنولوجيا على جهود يانج السابقة في مجال الطاقة في جامعة وسط فلوريدا منذ ما يقرب من ثلاث سنوات في تطوير مواد جديدة لخلايا الوقود التي تستخدم الكربون المعزز بالفلور.

ويقول يانج، إن البحث يعد خطوة أولى مهمة ودراسة أساسية قد تمهد الطريق أمام المزيد من أساليب احتجاز ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع، مضيفا ” ولهذا الغرض، قمنا بإثبات صحة مفهومنا من وجهة نظر أساسية”، “لقد اختبرنا الأداء في مفاعلاتنا، ولكن في المستقبل، نريد تطوير نموذج أولي أكبر حجمًا يمكن أن يُظهر للناس مدى السرعة التي يمكننا بها تحويل وتقليل تركيز ثاني أكسيد الكربون وتوليد المواد الكيميائية أو الوقود بسرعة كبيرة من النموذج الأولي واسع النطاق الخاص بنا”.

كما تعاون يانج أيضًا مع جامعة هيوستن؛ وجامعة كاليفورنيا في بيركلي؛ وجامعة ستانفورد؛ والمعهد الشرقي للدراسات المتقدمة في نينجبو، الصين.