دستاورد دانشمندان: توسعه برگ مصنوعی که دی‌اکسیدکربن را به سوخت مایع تبدیل می‌کند

محققان دانشگاه ییل با الهام از طبیعت، برگ مصنوعی ساختند که فقط با استفاده از نور خورشید، آب و دی‌اکسید کربن، سوخت مایع متانول تولید می‌کند. این دستگاه که بازدهی آن ۳۲ برابر بیشتر از رکوردهای قبلی تولید سوخت‌های الکلی است، تحولی بزرگ در فناوری فتوسنتز مصنوعی و تولید انرژی‌های پاک در جهان به شمار می‌رود.

به گزارش Interesting Engineering، این دستگاه با ترکیب یک کاتالیزور مولکولی ناهمگن و یک فوتوالکترود سیلیکونی، نور خورشید را برای هدایت یک واکنش شیمیایی پیچیده به کار می‌گیرد و بدون نیاز به هیچ‌گونه برق خارجی، گاز گلخانه‌ای را به سوخت مایع تبدیل می‌کند. محققان این فناوری را تقلیدی دقیق از فتوسنتز طبیعی می‌دانند.

این سیستم پیشرفته با جذب دی‌اکسید کربن از هوا (به‌عنوان عامل اصلی تغییرات اقلیمی) و ترکیب آن با آب در حضور نور خورشید، متانول تولید می‌کند. متانول یک ماده شیمیایی صنعتی بسیار مهم و سوخت جایگزینی است که قابلیت ذخیره‌سازی طولانی‌مدتی دارد و شرکت‌ها می‌توانند به راحتی آن را در زیرساخت‌های حمل‌ونقل و انرژی فعلی جابه‌جا کنند.

برگ مصنوعی برای تولید سوخت مایع متانول

این کاتالیزور جدید با انجام یک واکنش پیچیده، شش الکترون را مستقیماً به یک مولکول دی‌اکسید کربن تزریق می‌کند؛ درحالی‌که سیستم‌های مولکولی پیشین تنها قادر به انجام واکنش‌های دوالکترونی بودند. محققان که ساخت این کاتالیزور را از سال ۲۰۱۹ آغاز کرده‌اند، مولکول‌های «فتالوسیانین کبالت» (Cobalt phthalocyanine) را روی سطح نانولوله‌های کربنی تثبیت کردند.

این نانولوله‌ها مانند بزرگراه‌های الکترونی هستند و جریانی سریع و پیوسته از الکترون‌ها را به سمت مراکز فعال واکنش می‌فرستند. محدودیت سیستم‌های قبلی در فرایند دوالکترونی باعث می‌شد آن‌ها تنها بتوانند محصولات ساده‌تری مانند مونوکسیدکربن تولید کنند، اما این کاتالیزور جدید مستقیماً متانول می‌سازد.

فوتوالکترود سیلیکونی با استفاده از ستون‌های میکروسکوپی سیلیکونی که با لایه‌ای از کربن فولرن پوشانده شده‌اند، فضای بسیار بازتر و بزرگ‌تری برای انجام واکنش‌های شیمیایی فراهم می‌کند تا الکترون‌ها با سرعت و راحتی بیشتری جابه‌جا شوند. این هندسه خاص، راندمان تولید را به بالاترین سطح ممکن رسانده است، به‌طوری‌که این دستگاه اکنون رکورددار کارآمدترین سیستم تبدیل فوتوالکتروکاتالیستی برپایه سیلیکون در جهان است.

محققان این دستگاه را به‌عنوان پایه و اساسی قدرتمند برای بازیافت صنعتی کربن و تولید انبوه سوخت‌های مایع تجدیدپذیر در آینده طراحی کرده‌اند. اگرچه دانشمندان هنوز تا تجاری‌سازی کامل این فناوری موانعی در پیش دارند، اما آنها اکنون درحال اصلاح طراحی برگ مصنوعی خود برای افزایش دوام و کارایی آن هستند تا رؤیای انتقال فتوسنتز مهندسی‌شده از آزمایشگاه‌ها به نیروگاه‌های بزرگ انرژی پاک را محقق کنند.

یافته‌های این پژوهش در ژورنال American Chemical Society منتشر شده است.