بسبب الكمية الكبيرة لغاز ثنائي أوكسيد الكربون المنتجة عالمياً، يلقي العلماء والمهندسون أنظارهم نحو تحول هذا الغاز لمادة مفيدة، كالفحوم الهيدروجينية المشكلة للوقود.
بالتعاون من باحثين في جامعة واشنطن Washington University، وجامعة كوريا Korea University، تم تحويل غاز ثنائي أوكسيد الكربون لغاز أحادي أوكسيد الكربون، باستخدام أسلاك نانومترية من اوكسيد الزنك، والتي تعتبر كمادة أساسية في اصطناع المواد البلاستيكية والمواد البوليميرية مرتفعة الكربون. تعتبر عملية إرجاع ثنائي أوكسيد الكربون، عملية مستهلكة للطاقة بشكل كبير، لذا فقد قام الباحثون بتطوير طريقة للاستفادة من الخلايا الشمسية، للسماح بعملية التحويل.
ضمن هذا التعاون، قام مخبران ضمن الجامعتين بمقارنة طريقتين مختلفتين لاستخدام الأسلاك النانومترية لتحويل ثنائي أوكسيد الكربون لمادة أخرى. قام مختبر براتيم بيسواس Pratim Biswas في جامعة واشنطن، بتطوير عدة مواد ذات بنى نانومترية من أجل تحويل ثنائي أوكسيد الكربون، وأظهروا أنه يمكنهم تشكيل بنى نانومترية ووسطية لأوكسيد التيتانيوم المطلي بالبلاتين، حفازات ضوئية مغلفة بالغرافين، وغيرها.
تعتمد الطريقة على إدخال إشعاع الحفاز بالأشعة الفوق بنفسجية والمرئية، وإدخال غاز بضغط إشباعي من بخار الماء وثنائي أوكسيد الكربون، وتحدث العملية على سطح الحفاز.
يقول باراغ بانرجي Parag Panerjee أحد المساعدين في البحث: “البلاتين مكلف جداً، لذا ستكون العملية صعبة عند استخدامها على سلم إنتاج كبير. لذا يجب علينا النظر إلى المواد الرخيصة والمتوفرة في الأرض لجعل عملية تحويل غاز ثاني اوكسيد الكربون على سلم الإنتاج الصناعي وحتى العالمي”.
لكن يشير بانرجي بأنه هناك نقاط سلبية وإيجابية لهذه العملية “الميزة الرئيسية لاستخدام البلاتين هو تحويل غاز ثنائي أوكسيد الكربون إلى غاز الميتان ضمن خطوة واحدة، والتي يتضمن عملية انتقال 8 الكترونات، وهي التي كمية كبيرة من الالكترونات. استخدام أوكسيد الزنك يتضمن استخدام الكترونين فقط، لكن لا يحتاج تحويل ثنائي أوكسيد الكربون لأحادي أوكسيد الكربون، لذلك فهناك مقايضات ما بين العمليتين”.
من أجل تشكيل الحفاز، استخدم بانرجي ومختبره أسلاك نانومترية من أوكسيد الزنك، والتي تمتص الضوء وتحفز تشكل الكترونات حرة، وثقوب موجبة. تسمح عدة طبقات من ذرية من أوكسيد الزنك على سطح الأسلاك بأن تبقى الالكترونات عليها لمدة زمنية طويلة.
يقول بانرجي: “إذا كنت تملك الكترونات حرة، يمكنك مبادرة التفاعلات الكيميائية، وهذا هو عمل الحفازات، تسمح للالكترونات بأن تتفاعل مع الجزيئات الغازية التي تعلق على سطح الحفاز. بدون إضافة أوكسيد الزنك لأوكسيد النحاس، لن تعمل هذه الطريقة. وباستخدام أوكسيد الزنك لوحده، لن تعمل أيضاً، لأنك بحاجة لمادة معينة كي تمتص الضوء، وهذا هو عمل أوكسيد النحاس. لكل مكون دوره الخاص ضمن هذا الحفاز”.
المصدر:
Researchers find less expensive way to convert carbon dioxide. (n.d.). Washington University in St. Louis. Retrieved April 8, 2015, from https://engineering.wustl.edu/news/Pages/Researchers-find-less-expensive-way-to-convert-carbon-dioxide-.aspx
Wang W-N, Wu F, Myung Y, Niedzwiedzki DM, Im HS, Park J, Banerjee P, Biswas P. Surface Engineered CuO Nanowires with ZnO Islands for CO2 Photoreduction. ACS Applied Materials & Interfaces. Feb. 27, 2015. DOI: 10.1021/a2m508590j
