انقلابی در بازیافت کربن؛ دانشمندان CO₂ را به سوخت‌های با ارزش تبدیل می‌کنند!

با تشدید تغییرات آب‌وهوایی و رسیدن انتشار کربن به رکوردهای بالا، فوریت یافتن راه‌های مؤثر برای بازیافت دی‌اکسید کربن (CO₂) هرگز بیشتر از این نبوده است. با شتاب‌گیری جنبش جهانی به سمت کربن‌خنثی، روش‌های نوآورانه برای تبدیل CO₂ به سوخت‌ها و مواد شیمیایی مفید به سرعت مورد توجه قرار گرفته‌اند.

در میان این روش‌ها، تبدیل CO₂ به محصولات مبتنی بر الکل به دلیل محتوای انرژی بالا و ارزش اقتصادی این ترکیبات، بسیار امیدوارکننده است. با وجود این پتانسیل، این فرآیند مدت‌هاست که به دلیل کارایی پایین و چالش‌ها در مقیاس‌پذیری به سطح صنعتی، با مشکل مواجه بوده است.

اخیراً، تیمی از دانشمندان مؤسسه علم و فناوری گوانگجو (GIST) در کره جنوبی، به رهبری دکتر “جایونگ لی“، دکتر “مینجون چوی” و دکتر “سوان بائه“، پیشرفت قابل‌توجهی در این زمینه به دست آورده‌اند.

رویکرد جدید آن‌ها برای تبدیل CO₂ به الکل، با ترکیب کارایی استثنایی و قابلیت تولید در مقیاس بزرگ، رکورد جهانی را به ثبت رسانده است. تحقیقات آن‌ها که در مجله Nature Catalysis منتشر شده است، یک تکنیک الکتروشیمیایی را نشان می‌دهد که CO₂ را به “آلیل الکل” تبدیل می‌کند، یک ترکیب با ارزش بالا با کاربردهای صنعتی مختلف.

چالش‌ها در کاهش CO₂ به ترکیبات با ارزش بالا

فناوری کاهش الکتروشیمیایی CO₂، یک فناوری کلیدی در عصر کربن‌خنثی است که می‌تواند CO₂ (عامل اصلی گرمایش جهانی) را به مواد مفید تبدیل کند. با این حال، تولید انتخابی ترکیبات با ارزش افزوده بالا با سه یا چند اتم کربن، مانند آلیل الکل، چندین چالش را به همراه دارد. اولاً، روش‌های فعلی راندمان فارادی بسیار پایینی را امکان‌پذیر می‌سازند – کمتر از ۱۵ درصد از انرژی الکتریکی مصرفی واقعاً به تولید ترکیب مورد نظر می‌رود، در حالی‌که بقیه هدر می‌رود. ثانیاً، مسیر واکنش پیچیده است و واسطه‌ها پایداری کمی دارند که به ناکارآمدی فرآیند می‌افزاید.

پروفسور “لی” توضیح می‌دهد:

آلیل الکل (C3H6O) یک ماده بسیار مفید است که می‌تواند در واکنش‌های شیمیایی مختلفی استفاده شود. اما تولید این ترکیبات با ارزش افزوده بالا در حالت مایع به دلیل تشکیل پیوند پیچیده کربن-کربن (C-C) و پایداری پایین واسطه واکنش دشوار است.

فناوری توسعه یافته توسط محققان، چشمگیر بود. این تیم با ادغام فسفید مس (CuP2) در یک مجموعه غشایی-الکترودی در کنار یک کاتالیزور اکسیداسیون نیکل-آهن (NiFe)، یک کاتالیزور مس غنی از فسفر ایجاد کردند. با استفاده از این کاتالیزور در سیستم الکتروشیمیایی، آن‌ها به راندمان فارادی ۶۶.۹ درصد دست یافتند که حدود ۴ برابر بیشتر از بهترین فناوری موجود (<15%) است. این کارایی بالا، انتخاب‌پذیری عالی کاتالیزور را اثبات می‌کند که تولید محصولات جانبی غیرضروری را به حداقل می‌رساند و به‌طور انتخابی فقط ماده مورد نظر را تولید می‌کند.

علاوه بر این، این فناوری همچنین چگالی جریان جزئی ۷۳۵.۴ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع و نرخ تولید ۱۶۴۳ میکرومول بر سانتی‌متر مربع در ساعت را در فرآیندی که می‌تواند ۱۱۰۰ میلی‌آمپر بر سانتی‌متر مربع در هر واحد سطح الکترود اعمال کند، ثبت کرد. این معیارها بالاترین عملکرد گزارش شده تاکنون را نشان می‌دهند و پتانسیل آن را برای کاربردهای در مقیاس بزرگ نیز برجسته می‌کنند.

ارتباط صنعتی و تأثیر گسترده‌تر

از آنجایی‌که آلیل الکل به عنوان یک ماده اولیه ضروری در صنایع مختلف مانند پلاستیک، چسب، ضدعفونی‌کننده‌ها و عطرها استفاده می‌شود، این فناوری می‌تواند یک تغییردهنده بازی برای تولید انبوه آن باشد.

علاوه بر این، این روش از نظر مکانیسم نیز منحصر به فرد بود. در حالی که روش‌های متداول از طریق مسیر مونوکسید کربن عمل می‌کنند، این روش یک مسیر واکنش جدید را آشکار کرد که در آن پیوند کربن-کربن (C-C) در طی تبدیل یک گروه واسطه از فرمات به فرمالدئید تشکیل شد. این مکانیسم ارزش تجاری محصول را به شدت افزایش می‌دهد زیرا مستقیماً مایعاتی را تولید می‌کند که ذخیره و حمل و نقل آن‌ها آسان‌تر است.

این فناوری یک پیشرفت در عصر کربن‌خنثی محسوب می‌شود و انتظار می‌رود مسیرهای جدیدی را برای فناوری جذب و استفاده اقتصادی از کربن الکتروشیمیایی باز کند؛ با تبدیل انتخابی CO₂ که تنها یک اتم کربن دارد، به آلیل الکل، یک ترکیب چندکربنی با ارزش افزوده بالا (₊C₃) با سه یا بیشتر اتم کربن.

دکتر “لی” تأکید می‌کند:

این فناوری تبدیل CO₂ می‌تواند جهت‌های تجاری جدیدی را برای صنایع زغال‌سنگ، پتروشیمی و فولاد که با فشارهای فزاینده انتشار مواجه هستند، باز کند. ما آن را یک سنگ پله کلیدی به سمت عصر کربن‌خنثی از طریق علم و فناوری مقیاس‌پذیر می‌بینیم.

با تغییر تمرکز فراتر از اهداف متداول C₁ و C₂، این مطالعه دامنه “ارزش‌دهی به CO₂” را به سمت مولکول‌های پیچیده‌تر و با ارزش‌تر گسترش می‌دهد. دکتر “چوی” توضیح داد که در حالی که این رویکرد امیدوارکننده است، ادغام بیشتر در سیستم‌های جریان پیوسته و مجموعه غشایی-الکترودی با شکاف صفر می‌تواند تولید مقیاس‌پذیر و پایدار سوخت‌های مایع و پیش‌سازهای شیمیایی از CO₂ را امکان‌پذیر سازد – که به‌طور قابل توجهی وابستگی به سوخت‌های فسیلی را کاهش می‌دهد و راه را برای آینده‌ای سبزتر هموار می‌کند.

منبع: Scitechdaily