تطوير محفزات ضوئية صديقة للبيئة عالية الكفاءة لتحويل ثاني أكسيد الكربون بالغلاف الجوي إلى وقود

قام الفريق بقيادة البروفيسور، إن سو-إيل، في قسم هندسة الطاقة في DGIST بتطوير محفز ضوئي عالي الكفاءة، قادر على تحويل ثاني أكسيد الكربون (CO 2 )، وهو مساهم رئيسي في ظاهرة الاحتباس الحراري، إلى غاز الميثان مصدر الطاقة.

قام فريق البحث بتحسين تركيبة المحفزات المساعدة للجسيمات النانوية ومنشطات الروثينيوم لتعظيم الخواص الضوئية والكهربائية للمحفز الضوئي.

وفي الوقت نفسه، قاموا بتحسين كفاءة تحويل الميثان من خلال تعزيز امتصاص ثاني أكسيد الكربون من خلال المعالجة السطحية بالهيدروكسي.

ويتوقع فريق البحث أن تكون هذه التكنولوجيا قابلة للتطبيق على احتجاز الكربون واستخدامه، مما يجعل من الممكن التحكم في التركيز المتزايد باطراد لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي أثناء تحويله إلى موارد الميثان.

وفي عام 2022، تجاوز تركيز ثاني أكسيد الكربون العالمي 420 جزءًا في المليون، وهو أعلى مستوى منذ 4.1 مليون سنة.

أدت الزيادات غير المسبوقة في تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى كوارث مرتبطة بالمناخ في جميع أنحاء العالم، بما في ذلك خسائر اقتصادية بقيمة 20 مليار دولار أمريكي، بسبب الجفاف في أوروبا والأمطار الغزيرة غير المسبوقة في شبه الجزيرة الكورية.

ولمعالجة هذه المشكلة، لا بد من خفض تركيز ثاني أكسيد الكربون، المسبب للكوارث المناخية.

حدد المنتدى الاقتصادي العالمي “مركبات شمسية” قادرة على تحويل ثاني أكسيد الكربون، المساهم الرئيسي في ظاهرة الاحتباس الحراري، إلى أنواع وقود مختلفة باستخدام الطاقة الشمسية كواحدة من أفضل عشر تقنيات واعدة لعام 2020.

محفزات ضوئية

المحفزات الضوئية

من بين تقنيات المركبات الشمسية، تجذب المحفزات الضوئية التي تحول ثاني أكسيد الكربون عالي الاستقرار إلى وقود مثل الميثان، باستخدام ضوء الشمس فقط، والمحفزات الضوئية من خلال تفاعلات الطور الغازي، الانتباه باعتبارها تقنيات رئيسية للصناعة الكيميائية المستقبلية، بهدف تقليل ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي وإنتاج الوقود. معًا.

فالمحفزات الضوئية التجارية حاليًا مثل P25 لها قيود، مثل فجوة النطاق الكبيرة التي تمنع امتصاص الضوء المرئي ونقل الشحن البطيء، وقد حاولت العديد من الدراسات حل هذه القضايا، ومع ذلك، استمرت التحديات في تحقيق تطوير محفز ضوئي عالي الكفاءة بسبب المشاكل الكامنة مثل انخفاض امتصاص ثاني أكسيد الكربون وكفاءة التحويل في تفاعلات الطور الغازي.

تحسين أداء نقل الشحنة

قام فريق البحث في DGIST بقيادة البروفيسور In Soo-Il بتطوير محفز ضوئي عالي الكفاءة من خلال ربط محفزات جسيمات الفضة النانوية المساعدة بـ P25 المصنوع من ثاني أكسيد التيتانيوم، وتحسين أداء نقل الشحنة باستخدام منشطات الروثينيوم.

كما قاموا أيضًا بحل مشكلة انخفاض تركيز ثاني أكسيد الكربون على سطح المحفز أثناء تفاعلات الطور الغازي عن طريق تكوين مجموعات هيدروكسي على سطح المحفز الضوئي من خلال معالجة بيروكسيد الهيدروجين.

أظهر الفريق في البحث الذي تم نشر نتائجه في مجلة طاقة الكربون، أن الإلكترونات تتراكم في حالة متوسطة من بنية النطاق P25 من خلال منشطات الروثينيوم، يتم بعد ذلك نقل هذه الإلكترونات المتراكمة إلى المحفز المساعد لجسيمات الفضة النانوية، لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى ميثان.

وحدد الفريق أيضًا التركيبة المثالية لإنتاج الميثان من ثاني أكسيد الكربون بكفاءة من خلال تحليل المحفز المساعد لجسيمات الفضة النانوية ومنشطات الروثينيوم، علاوة على ذلك، من خلال قياس كمية ثاني أكسيد الكربون الممتز، أثبتوا أن سطح المحفز الضوئي تمتز بشكل أكثر حمضية من ثاني أكسيد الكربون، عندما تمت قلوته باستخدام بيروكسيد الهيدروجين.

صرح البروفيسور إن سو-إيل من DGIST، “يعمل المحفز الضوئي المطور حديثًا على تحسين امتصاص الضوء المرئي، وامتصاص ثاني أكسيد الكربون، وقدرات نقل الإلكترون في وقت واحد، إنه يحول 135 مرة أكثر من الميثان مع انتقائية 95% مقارنة بالمحفزات الضوئية P25 التجارية حاليًا ويحافظ على ثبات أكثر من بنسبة 96 % حتى بعد 24 ساعة من التشغيل المتواصل، وسنجري أبحاث متابعة لتحسين استقرار وانتقائية الهيدروكربونات للتطبيق العملي لهذه التكنولوجيا.”