لمحاربة تغير المناخ.. تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود شمسي باستخدام التمثيل الضوئي الاصطناعي

فرصة جديدة تساعد في تطوير بدائل خالية من الكربون للوقود الأحفوري المرتبط بالاحترار العالمي وتغير المناخ، حيث أظهر العلماء تقنية جديدة، على غرار عملية التمثيل الغذائي الموجودة في بعض البكتيريا، لتحويل ثاني أكسيد الكربون (CO2) إلى أسيتات سائلة، وهو مكون رئيسي في إنتاج “ضوء الشمس السائل” أو الوقود الشمسي من خلال التمثيل الضوئي الاصطناعي.

النهج الجديد تم في مختبر لورانس بيركلي الوطني (مختبر بيركلي)، وتم نشره العمل في Nature Catalysis، هو أيضًا أول عرض لجهاز يحاكي كيفية تصنيع هذه البكتيريا بشكل طبيعي للأسيتات من الإلكترونات وثاني أكسيد الكربون .

تخفيف انبعاثات ثاني أكسيد الكربون

قال كبير المؤلفين بيدونج يانج، الذي يحمل ألقاب كبير علماء هيئة التدريس في قسم علوم المواد في مختبر بيركلي، وأستاذ الكيمياء وعلوم وهندسة المواد في جامعة كاليفورنيا “كل ما نقوم به في مختبري لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات مفيدة مستوحى من الطبيعة، فيما يتعلق بتخفيف انبعاثات ثاني أكسيد الكربون ومكافحة تغير المناخ،هذا جزء من الحل.”

على مدى عقود، عرف الباحثون أن المسار الأيضي في بعض البكتيريا يسمح لها بهضم الإلكترونات وثاني أكسيد الكربون لإنتاج الأسيتات، وهو تفاعل تحركه الإلكترونات.

يكسر المسار جزيئات ثاني أكسيد الكربون إلى مجموعتين كيميائيتين مختلفتين أو “غير متماثلتين”، مجموعة كربونيل (CO) أو مجموعة ميثيلCH3 تعمل الإنزيمات في مسار التفاعل هذا على تمكين الكربون في CO وCH3من الارتباط أو “الزوجين”، مما يؤدي بعد ذلك إلى تفاعل محفز آخر ينتج عنه الأسيتات كمنتج نهائي.

أراد الباحثون في مجال التمثيل الضوئي الاصطناعي تطوير أجهزة تحاكي كيمياء المسار – تسمى اقتران الكربون والكربون غير المتماثل- لكن العثور على محفزات كهربائية اصطناعية تعمل بكفاءة مثل المحفزات الإنزيمية الطبيعية للبكتيريا كان أمرًا صعبًا.

قال يانج: “لكننا اعتقدنا أنه إذا كانت هذه الكائنات الحية الدقيقة قادرة على فعل ذلك ، فينبغي أن يكون المرء قادرًا على محاكاة تركيبته الكيميائية في المختبر”.

استخدام النحاس المتعطش للكربون

تم اكتشاف موهبة النحاس في تحويل الكربون إلى العديد من المنتجات المفيدة لأول مرة في السبعينيات.

بناءً على تلك الدراسات السابقة، استنتج يانج وفريقه أن أجهزة التمثيل الضوئي الاصطناعية المجهزة بمحفز نحاسي يجب أن تكون قادرة على تحويل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى مجموعات ميثيل وكربونيل، ثم تحويل هذه المنتجات إلى أسيتات.

لذلك ، في تجربة واحدة، صمم يانج وفريقه جهازًا نموذجيًا بسطح نحاسي؛ بعد ذلك ، قاموا بتعريض سطح النحاس إلى سائل يوديد الميثيل (CH 3 I) وغاز ثاني أكسيد الكربون، وطبقوا تحيزًا كهربائيًا على النظام.

الاقتران غير المتماثل لمجموعات ثاني أكسيد الكربون والميثان

افترض الباحثون أن ثاني أكسيد الكربون سوف يلتصق بسطح النحاس، مما يؤدي إلى الاقتران غير المتماثل لمجموعات ثاني أكسيد الكربون والميثان لإنتاج الأسيتات، تم استخدام الميثان المسمى CH 3 I المسمى بالنظائر في التجارب من أجل تتبع مسار التفاعل والنواتج النهائية، (النظير عبارة عن ذرة تحتوي على عدد أكبر أو أقل من النيوترونات (جزيئات غير مشحونة) في نواتها أكثر من الذرات الأخرى للعنصر).

وكانوا على حق، كشفت التجارب التحليلية الكيميائية التي أجريت في مختبر جامعة كاليفورنيا في يانج، أن اقتران النحاس لمجموعات الكربونيل والميثيل لا ينتج فقط الأسيتات، ولكن السوائل الأخرى القيمة، بما في ذلك الإيثانول والأسيتون، سمح تتبع النظائر للباحثين بتأكيد أن الأسيتات تشكلت من خلال الجمع بين ثاني أكسيد الكربون والميثان .

مادة شديدة الرقة من محلول من جسيمات النحاس والفضة النانوية

في تجربة أخرى، صنع الباحثون مادة شديدة الرقة من محلول من جسيمات النحاس والفضة النانوية، يبلغ قطر كل منها 7 نانومتر (جزء من المليار من المتر)، ثم صمم الباحثون جهازًا نموذجيًا آخر، هذه المرة مع مادة رقيقة من الجسيمات النانوية.

كما هو متوقع، أدى التحيز الكهربائي إلى تفاعل، مما دفع الجسيمات النانوية الفضية إلى تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مجموعة كربونيل، بينما حولت جسيمات النحاس النانوية ثاني أكسيد الكربون إلى مجموعة ميثيل.

كشفت التحليلات اللاحقة في مختبر يانجعن تفاعل آخر (الاقتران غير المتماثل المرغوب) بين ثاني أكسيد الكربون، و CH3المنتجات السائلة المركبة مثل الأسيتات.

الاقتران بأسلاك السيليكون النانوية الممتصة للضوء

من خلال تجارب المجهر الإلكتروني في المسبك الجزيئي، تعلم الباحثون أن جسيمات النحاس والفضة النانوية على اتصال وثيق مع بعضها البعض، وتشكل أنظمة ترادفية، وأن الجسيمات النانوية النانوية كانت بمثابة المركز التحفيزي للاقتران غير المتماثل.

قال يانج، إن هذه الجسيمات النانوية النحاسية والفضية، يمكن أن تقترن بأسلاك السيليكون النانوية الممتصة للضوء في التصميم المستقبلي لأنظمة التمثيل الضوئي الاصطناعي الفعالة.

نظام اصطناعي للتمثيل الضوئي

في عام 2015، شارك يانج في قيادة دراسة أظهرت نظامًا اصطناعيًا للتمثيل الضوئي يتكون من أسلاك نانوية شبه موصلة وبكتيريا تستخدم الطاقة في ضوء الشمس لإنتاج الأسيتات من ثاني أكسيد الكربون والماء.

كان لهذا الاكتشاف آثار مهمة على مجال متنامٍ قضى فيه الباحثون عقودًا في البحث عن أفضل التفاعلات الكيميائية لإنتاج غلات عالية من المنتجات السائلة من ثاني أكسيد الكربون .

وقال يانج، إن الدراسة الجديدة تقدم هذا العمل السابق من خلال إظهار عامل كهربائي اصطناعي – جزيئات النحاس والفضة النانوية – التي “تحاكي بوضوح ما تفعله البكتيريا لإنتاج منتجات سائلة من ثاني أكسيد الكربون”، “لا يزال لدينا الكثير من العمل الذي يتعين علينا القيام به لتحسينه، لكننا متحمسون لقدرته على تعزيز عملية التمثيل الضوئي الاصطناعي.”