حفازات بشكل مسامير نانوية تحول ثاني أوكسيد الكربون إلى الإيتانول

في منحى جديد لتقانة تحويل الفضلات إلى وقود طور العلماء في قسم الطاقة في مخبر Oak Ridge الوطني طريقة كهركيماوية حيث يتم فيها استخدام مسامير صغيرة من الكربون والنحاس لتحويل غاز ثاني أوكسيد الكربون (وهو غاز البيوت الزجاجية الدفيئة) إلى الإيتانول.

إنّ اكتشافهم الذي تطلب التصنيع النانوي والاستعانة بعلم الحفازات كان قد تم بالصدفة.

يقول آدام روندينون ORNL^,s Adam Rondinone وهو كاتب رئيسي في فريق الدراسة المنشورة في مجلة ChemistrySelect: اكتشفنا بطريقة ما وبالصدفة أن هذه المادة فعلتها، حيث كنا نحاول دراسة الخطوة الأولى من التفاعل المقترح عندما وجدنا أنّ الحفاز أو الوسيط كان يقوم بإنجاز كامل التفاعل بنفسه.

استخدم الفريق حفازاً مصنوعاً من الكربون والنحاس والنتروجين ثم طبقوا كمون كهربائي لتنشيط تفاعل كيميائي معقد والذي ينعكس بشكل أساسي كتفاعل احتراق.

بمساعدة الحفاز المعتمد على تقنية النانو والذي يتكون من عدة مواقع تفاعل تم تحويل المحلول المائي لثاني أوكسيد الكربون إلى إيتانول بمردود تفاعل قدره 63%. وبشكل نموذجي فإنّ هذا النمط من التفاعلات الكهركيماوية يؤدي لمزج عدة منتجات مختلفة بكميات صغيرة.

يقول روندينون: “أخذنا ثاني أوكسيد الكربون وهو ناتج الاحتراق ثم قمنا بعكس تفاعل الاحتراق بانتقائية عالية لينتج وقوداً مفيداً” ويتابع: “كان الإيتانول هو المفاجأة … لأنه من الصعب أن نحصل على الإيتانول انطلاقاً من ثاني أوكسيد الكربون وبوجود حفاز واحد فقط”.

يكمن ابتكار الحفاز هنا في تركيبه النانوي المكون من جسيمات النحاس النانوية المدمجة في مسامير كربونية. حيث إن هذا النموذج من القوام النانوي يجنب استخدام معادن نادرة أو غالية الثمن كالبلاتينيوم والذي يحد من القدرة الشرائية للكثير من الحفازات.

يتابع روندينون بقوله: “باستخدام مواد شائعة ولكن تم تحضيرها بتقنية النانو استنتجنا كيف يمكن تقليل التفاعلات الجانبية والانتهاء بالشيء الوحيد الذي نريده”

يقترح التحليل الأولي للباحثين أن سطح المسمار البنيوي للحفازات يؤمن مواقع تفاعلية واسعة تحول ثاني أوكسيد الكربون إلى الإيتانول.

يقول روندينون: “إنها كعصي مضيئة بأبعاد 50 نانومتر تقوم بتركيز التفاعل الكهركيماوي في قمة المسمار”

إن اعتماد هذه التقنية على مواد رخيصة الثمن والقدرة على إنجازها بدرجة حرارة الغرفة في الماء جعل من الباحثين يعتقدون بأنه يمكن توسيع استخدام هذا النموذج وذلك في التطبيقات المتعلقة بالصناعة .مثلاً يمكن استخدام هذه الطريقة لتخزين الكهرباء الزائدة والتي يتم توليدها من مصادر طاقة مختلفة كالرياح أو الشمس.

“يمكن أن تسمح لك طريقة كهذه باستهلاك فائض من الكهرباء وذلك عندما تكون متوفرة لصنعها وتخزينها كما الإيتانول” ويتابع روندينون: “هذا يساعد على توازن الشبكة الكهربائية عبر تزويدها بمآخذ متجددة تعمل بشكل متقطع”

يخطط الباحثون لتطوير نموذجهم وذلك لتحسين معدل الإنتاج الكلي والقيام بدراسة أعمق عن سلوك وخصائص الحفاز المستعمل.

المصدر:

Morgan McCorkle. Nano-spike catalysts convert carbon dioxide directly into ethanol. Oak Ridge National Laboratory. Retrieved December 29, 2016, from https://www.ornl.gov/news/nano-spike-catalysts-convert-carbon-dioxide-directly-ethanol