خطوة نحو الوقود الشمسي.. إعادة استخدام ثاني أكسيد الكربون لإنتاج وقود مستدام

الخطوة الأساسية نحو إعادة استخدام ثاني أكسيد الكربون لإنتاج وقود مستدام تتمثل في ربط ذرات الكربون معًا، ويمكن لنظام التمثيل الضوئي الاصطناعي الذي تم تطويره في جامعة ميشيجان ربط اثنتين منها في هيدروكربونات بأداء رائد في هذا المجال.
ينتج النظام الإيثيلين بكفاءة وإنتاجية وطول عمر أعلى بكثير من أنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعي الأخرى.
الإيثيلين هو هيدروكربون يستخدم عادة في البلاستيك، لذا فإن أحد التطبيقات المباشرة للنظام هو حصاد ثاني أكسيد الكربون الذي كان ليتم تنفيسه في الغلاف الجوي لصنع البلاستيك.

النشاط والاستقرار أفضل بخمسة إلى ستة أضعاف

وقال زيتيان مي، أستاذ الهندسة الكهربائية والحاسوبية في جامعة ميشيغان والمؤلف المشارك للدراسة في مجلة Nature Synthesis “الأداء، أو النشاط والاستقرار، أفضل بحوالي خمسة إلى ستة أضعاف، مما يتم الإبلاغ عنه عادة للطاقة الشمسية أو اختزال ثاني أكسيد الكربون بواسطة الضوء إلى إيثيلين” .

“الإيثيلين هو في الواقع المركب العضوي الأكثر إنتاجًا في العالم، ولكن يتم إنتاجه عادةً باستخدام النفط والغاز، في درجات حرارة وضغوط عالية، وكل ذلك يؤدي إلى انبعاث ثاني أكسيد الكربون . ”

الهدف على المدى البعيد هو ربط سلاسل أطول من ذرات الكربون والهيدروجين معًا لإنتاج وقود سائل يمكن نقله بسهولة.
ويتمثل جزء من التحدي في إزالة كل الأكسجين من ثاني أكسيد الكربون كمصدر للكربون والماء، H2O، كمصدر للهيدروجين.
يمتص الجهاز الضوء من خلال نوعين من أشباه الموصلات: غابة من أسلاك نيتريد الجاليوم النانوية، كل منها لا يزيد عرضها عن 50 نانومترًا (بضع مئات من الذرات)، وقاعدة السيليكون التي نمت عليها.

يحدث التفاعل الذي يحول الماء وثاني أكسيد الكربون إلى إيثيلين على مجموعات من النحاس، كل منها يحتوي على حوالي 30 ذرة، تنتشر في الأسلاك النانوية.

تُغمر الأسلاك النانوية في الماء المخصب بثاني أكسيد الكربون وتُعرض لضوء يعادل ضوء الشمس عند الظهيرة. تعمل الطاقة المنبعثة من الضوء على تحرير الإلكترونات التي تقسم الماء بالقرب من سطح أسلاك نيتريد الغاليوم النانوية.

يؤدي هذا إلى إنتاج الهيدروجين لتغذية تفاعل الإيثيلين ولكن أيضًا الأكسجين الذي يمتصه نيتريد الغاليوم ليصبح أكسيد نيتريد الغاليوم.

النحاس جيد في التمسك بالهيدروجين والتمسك بالكربون في ثاني أكسيد الكربون، وتحويله إلى أول أكسيد الكربون، ومع وجود الهيدروجين في الخليط وحقن الطاقة من الضوء، يعتقد الفريق أن جزيئين من أول أكسيد الكربون يرتبطان مع الهيدروجين.

ويعتقد أن التفاعل يكتمل عند الواجهة بين النحاس وأكسيد نيتريد الجاليوم، حيث يتم نزع ذرتي الأكسجين واستبدالهما بثلاث ذرات هيدروجين من الماء المنقسم.

ووجد الفريق أن 61% من الإلكترونات الحرة التي تولدت من أشباه الموصلات باستخدام الضوء ساهمت في التفاعل لإنتاج الإيثيلين.

وفي حين حقق محفز مختلف يعتمد على الفضة والنحاس كفاءة مماثلة بنحو 50%، فإنه كان بحاجة إلى العمل في سائل قائم على الكربون، وكان بإمكانه العمل لبضع ساعات فقط قبل أن يتدهور.
وعلى النقيض من ذلك، عمل جهاز فريق ميشيغان لمدة 116 ساعة دون تباطؤ، كما عمل الفريق على أجهزة مماثلة لمدة 3000 ساعة.
ويرجع هذا جزئيًا إلى العلاقة التآزرية بين نتريد الجاليوم وعملية تقسيم الماء: حيث تعمل إضافة الأكسجين على تحسين المحفز وتمكين عملية الشفاء الذاتي.

وسيتم استكشاف حدود عمر الجهاز في أعمال مستقبلية.

وأخيرا، تمكن الجهاز من إنتاج الإيثيلين بمعدل يزيد على أربعة أضعاف عن أقرب الأنظمة المنافسة.

قال بينجكسينج تشانج، الباحث المساعد في الهندسة الكهربائية والحاسوبية في جامعة ميشيجان والمؤلف الأول للدراسة: “في المستقبل، نريد إنتاج بعض المركبات الأخرى متعددة الكربون مثل البروبانول بثلاثة ذرات كربون أو المنتجات السائلة”.
الوقود السائل، الذي يمكن أن يمكّن العديد من تقنيات النقل الحالية من أن تصبح مستدامة، هو الهدف النهائي لشركة Mi.