محفز لا يمكن إيقافه يتفوق على الكبريت لإحداث ثورة في التقاط الكربون

يمكن للمحفز الكهروكيميائي لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات قيمة أن يقاوم الشوائب التي تسمم الإصدارات الحالية.

يعمل محفز جديد على تعزيز تحويل الكربون الملتقط إلى منتجات تجارية، مع الحفاظ على الكفاءة العالية على الرغم من شوائب أكسيد الكبريت. وقد يؤدي هذا الابتكار إلى خفض التكاليف ومتطلبات الطاقة بشكل كبير في تقنيات التقاط الكربون، مما يؤثر على الصناعات الثقيلة.

نجح باحثون في قسم الهندسة بجامعة تورنتو في ابتكار محفز جديد يحول الكربون الملتقط إلى منتجات قيمة بكفاءة – حتى في وجود ملوث يتسبب في تدهور أداء الإصدارات الحالية.

ويعد هذا الاكتشاف خطوة مهمة نحو تقنيات أكثر ملاءمة اقتصاديًا لالتقاط الكربون وتخزينه والتي يمكن إضافتها إلى العمليات الصناعية الحالية.

التطورات في تكنولوجيات تحويل الكربون

يقول البروفيسور ديفيد سينتون (MIE)، المؤلف الرئيسي في ورقة بحثية نُشرت في مجلة طاقة الطبيعة في 4 يوليو الذي يصف المحفز الجديد.

“ولكن هناك قطاعات أخرى من الاقتصاد سيكون من الصعب إزالة الكربون منها: على سبيل المثال، تصنيع الصلب والأسمنت. ولمساعدة هذه الصناعات، نحتاج إلى ابتكار طرق فعالة من حيث التكلفة لالتقاط الكربون في مجاري النفايات وترقيته”.

يحمل طلاب الدكتوراه في الهندسة بجامعة تورنتو روي كاي (راي) مياو (يسار) وبانوس بابانجيلاكيس (يمين) محفزًا جديدًا صمماه لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون المحتجز إلى منتجات قيمة. يعمل نموذجهما جيدًا حتى في وجود ثاني أكسيد الكبريت، وهو ملوث يسمم المحفزات الأخرى. حقوق الصورة: تايلر إيرفينج / جامعة تورنتو للهندسة

استخدام المحلل الكهربائي في تحويل الكربون

يستخدم سينتون وفريقه أجهزة تُعرف باسم أجهزة التحليل الكهربائي لتحويل ثاني أكسيد الكربون والكهرباء إلى منتجات مثل الإيثيلين والإيثانول. ويمكن بيع هذه الجزيئات القائمة على الكربون كوقود أو استخدامها كمواد خام كيميائية لصنع أشياء يومية مثل البلاستيك.

داخل المحلل الكهربائي، يحدث تفاعل التحويل عندما تتجمع ثلاثة عناصر – غاز ثاني أكسيد الكربون، والإلكترونات، وإلكتروليت سائل قائم على الماء – على سطح محفز صلب.

غالبًا ما يكون المحفز مصنوعًا من النحاس ولكنه قد يحتوي أيضًا على معادن أخرى أو مركبات عضوية يمكنها تحسين النظام بشكل أكبر. وتتمثل وظيفته في تسريع التفاعل وتقليل تكوين المنتجات الجانبية غير المرغوب فيها، مثل غاز الهيدروجين، مما يقلل من كفاءة العملية الإجمالية.

معالجة تحديات كفاءة المحفز

في حين نجحت العديد من الفرق البحثية في مختلف أنحاء العالم في إنتاج محفزات عالية الأداء، فإن جميعها تقريباً مصممة للعمل باستخدام ثاني أكسيد الكربون النقي. ولكن إذا كان الكربون المعني يأتي من المداخن، فمن المرجح أن يكون الكربون الناتج عن هذه العملية بعيداً كل البعد عن النقاء.

يقول بانوس بابانجيلاكيس، طالب دكتوراه في الهندسة الميكانيكية وواحد من خمسة مؤلفين مشاركين في الورقة البحثية الجديدة: “مصممو المحفزات عمومًا لا يحبون التعامل مع الشوائب، ولسبب وجيه”.

“تتسبب أكاسيد الكبريت، مثل ثاني أكسيد الكبريت، في تسمم المحفز عن طريق الارتباط بالسطح. وهذا يترك عددًا أقل من المواقع لتفاعل ثاني أكسيد الكربون، كما يتسبب أيضًا في تكوين مواد كيميائية لا تريدها.

“يحدث ذلك بسرعة كبيرة: في حين أن بعض المحفزات يمكن أن تستمر لمئات الساعات على تغذية نقية، إذا قمت بإدخال هذه الشوائب، فقد تنخفض كفاءتها إلى 5% في غضون دقائق.”

ورغم وجود طرق راسخة لإزالة الشوائب من غازات العادم الغنية بثاني أكسيد الكربون قبل إدخالها إلى المحلل الكهربائي، فإن هذه الطرق تستغرق وقتاً طويلاً وتتطلب طاقة وترفع من تكلفة احتجاز الكربون وتحسينه. وعلاوة على ذلك، في حالة ثاني أكسيد الكبريت، حتى القليل منه قد يشكل مشكلة كبيرة.

يقول بابانجيلاكيس: “حتى لو قمت بخفض غاز العادم إلى أقل من 10 أجزاء في المليون، أو 0.001% من العلف، فإن المحفز لا يزال من الممكن أن يتسمم في أقل من ساعتين”.

الابتكارات في تصميم المحفز

في هذه الورقة البحثية، يصف الفريق كيف قاموا بتصميم محفز أكثر مرونة قادر على مقاومة ثاني أكسيد الكبريت من خلال إجراء تغييرين رئيسيين على محفز نموذجي قائم على النحاس.

على أحد الجانبين، أضافوا طبقة رقيقة من بولي تترافلورو إيثيلين، المعروف أيضًا باسم تفلون. تعمل هذه المادة غير اللاصقة على تغيير الكيمياء على سطح المحفز، مما يعوق التفاعلات التي تمكن التسمم بثاني أكسيد الكبريت من الحدوث.

وعلى الجانب الآخر، أضافوا طبقة من مادة نافيون، وهي بوليمر موصل للكهرباء يستخدم عادة في خلايا الوقود. تحتوي هذه المادة المعقدة المسامية على بعض المناطق المحبة للماء، أي أنها تجتذب الماء، فضلاً عن مناطق أخرى كارهة للماء، أي أنها تطرده. وهذا الهيكل يجعل من الصعب على ثاني أكسيد الكبريت الوصول إلى سطح المحفز.

الأداء في ظل الظروف المعاكسة

ثم قام الفريق بتزويد هذا المحفز بمزيج من ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت، حيث بلغ تركيز هذا الأخير نحو 400 جزء في المليون، وهو ما يمثل نموذجاً لتدفق النفايات الصناعية. وحتى في ظل هذه الظروف الصعبة، كان أداء المحفز الجديد جيداً.

يقول بابانجيلاكيس: “في هذه الدراسة، أبلغنا عن كفاءة فاراداي – وهي مقياس لعدد الإلكترونات التي انتهت في المنتجات المرغوبة – بنسبة 50%، والتي تمكنا من الحفاظ عليها لمدة 150 ساعة”.

“هناك بعض المحفزات التي قد تبدأ بكفاءة أعلى، ربما 75% أو 80%. ولكن مرة أخرى، إذا تعرضت لثاني أكسيد الكبريت، في غضون دقائق أو على الأكثر بضع ساعات، فإن هذه الكفاءة تنخفض إلى الصفر تقريبًا. لقد تمكنا من مقاومة ذلك.”

الاتجاهات والتداعيات المستقبلية

يقول بابانجيلاكيس إن نهج فريقه لا يؤثر على تركيبة المحفز نفسه، وبالتالي فإنه ينبغي تطبيقه على نطاق واسع. بعبارة أخرى، ينبغي للفرق التي نجحت بالفعل في إتقان المحفزات عالية الأداء أن تكون قادرة على استخدام طلاءات مماثلة لمنحها مقاومة للتسمم بأكسيد الكبريت.

على الرغم من أن أكاسيد الكبريت هي الشوائب الأكثر تحديًا في مجاري النفايات النموذجية، إلا أنها ليست الشوائب الوحيدة، حيث يتجه الفريق بعد ذلك إلى المجموعة الكاملة من الملوثات الكيميائية.

ويقول بابانجيلاكيس: “هناك الكثير من الشوائب الأخرى التي يجب أخذها في الاعتبار، مثل أكاسيد النيتروجين والأكسجين وما إلى ذلك”.

“ولكن حقيقة أن هذا النهج يعمل بشكل جيد للغاية مع أكاسيد الكبريت أمر واعد للغاية. قبل هذا العمل، كان من المسلم به أنه يتعين عليك إزالة الشوائب قبل ترقية ثاني أكسيد الكربون. ما أظهرناه هو أنه قد تكون هناك طريقة مختلفة للتعامل معها، مما يفتح الكثير من الاحتمالات الجديدة.”

مرجع: “تحسين تحمل ثاني أكسيد الكبريت للمحفزات الكهربائية لتخفيض ثاني أكسيد الكربون باستخدام تصميم الوصلة غير المتجانسة للبوليمر/المحفز/الأيونومر” بقلم باناجيوتيس بابانجيلاكيس، وروي كاي مياو، ورويهو لو، وهانكي ليو، وشي وانج، وأدنان أوزدن، وشيجي ليو، ونينج صن، وكولين بي أوبراين، ويونغفينج هو، ومحسن شكوري، وكوينفينج شياو، ومينجشا لي، وبهروز خاتير، وجيانان إريك هوانج، وياكون وانج، ويورو سيلين شياو، وفنج لي، وعلي شايستيه زراتي، وتشيانغ زانج، وبينجيو ليو، وكيفن جولوفين، وجين واي هاو، وهونجيان ليانج، وزيون وانج، وجون لي، وإدوارد إتش سارجنت، وديفيد سينتون، 4 يوليو 2024، طاقة الطبيعة.
DOI: 10.1038/s41560-024-01577-9