دستاورد جدید دانشمندان در تولید سوخت پاک: تبدیل دی‌اکسیدکربن به انرژی قابل‌استفاده

محققان به‌تازگی روشی نوین و کارآمد برای تبدیل دی‌اکسیدکربن به متانول توسعه داده‌اند که بازدهی این فرایند را ۱.۵ برابر افزایش می‌دهد. این دستاورد گامی امیدوارکننده در مسیر تولید سوخت و مواد شیمیایی سازگار با محیط زیست محسوب می‌شود.

متانول جزء کلیدی در تولید بسیاری از محصولات روزمره، مانند پلاستیک، و همچنین یک منبع امیدوارکننده برای تولید انرژی پاک به شمار می‌رود. حالا به گزارش Scitechdaily، پیشرفت جدیدی راه را برای تولید سریع‌تر و کارآمدتر این ماده ارزشمند هموار کرده است. این دستاورد نتیجه همکاری دو محقق از دانشگاه ایالتی اورگن است.

«ژن‌ژینگ فنگ» و «آلوین چانگ» از دانشکده مهندسی OSU، در شناسایی الکتروکاتالیزور جدیدی که محققان دانشگاه ییل توسعه یافته داده‌اند، نقش داشته‌اند. پژوهش آنها که در جمله Nature Nanotechnology به چاپ رسیده است، نشان داد که چگونه این کاتالیزور فرایند تبدیل دی‌اکسیدکربن به متانول را بهبود می‌بخشد.

توسعه کاتالیزور دوگانه با بازدهی بالا

محققان کاتالیزور دوگانه‌ای توسعه داده‌اند که از ترکیب ۲ سایت کاتالیزوری مجاور با فاصله‌ای حدود ۲ نانومتر تشکیل شده است و در مقایسه با کاتالیزورهای تک‌سایتی پیشین، پیشرفتی چشمگیر محسوب می‌شود.

طراحی نوین این کاتالیزور سرعت تولید متانول از دی‌اکسیدکربن را افزایش داده و بازده فارادیک آن را به ۵۰ درصد رسانده است؛ در واقع میزان اتلاف انرژی الکتریکی در واکنش کاهش یافته است. این درحالی است که نسخه تک‌سایتی پیشین بازده کمتر از ۳۰ درصد داشت.

متانول؛ ماده شیمیایی کلیدی و منبع سوخت پایدار

چانگ، دانشجوی دکترای دانشگاه ایالتی اورگن، توضیح می‌دهد:

«متانول ماده شیمیایی اولیه و انعطاف‌پذیر است که برای تولید صدها محصول رایج ازجمله پلاستیک‌ها، مواد شیمیایی و حلال‌ها استفاده می‌شود. علاوه‌براین، متانول یک سوخت سبز امیدوارکننده است که می‌تواند با بهره‌گیری از انرژی الکتریکی تجدیدپذیر و از طریق فرایندی به نام کاهش الکتروشیمیایی CO2، از انتشار مضر کربن تولید شود و هم‌زمان به رفع چالش‌های زیست‌محیطی و تأمین نیازهای انرژی کمک کند.»

متانول که به‌عنوان الکل چوب نیز شناخته می‌شود، ترکیبی نسبتاً پاک‌سوز است که می‌تواند در پیل‌های سوختی به‌عنوان جایگزینی برای بنزین در موتورهای احتراق داخلی، و همچنین به‌عنوان سوخت برای کشتی‌ها و تولید برق استفاده شود.

علاوه‌بر دی‌اکسیدکربن که عمدتاً از طریق سوزاندن سوخت‌های فسیلی وارد جو می‌شود، متانول را می‌توان از منابعی مانند پسماندهای کشاورزی و شهری نیز تولید کرد. این ویژگی، متانول را به گزینه‌ای امیدوارکننده برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و تسهیل گذار به منابع انرژی سازگارتر با محیط‌زیست تبدیل می‌کند.

کاتالیزور چگونه عمل می‌کند؟

کاتالیزور عاملی است که سرعت واکنش شیمیایی را افزایش می‌دهد، بدون آنکه خود در جریان واکنش مصرف شود. الکتروکاتالیزور نیز ماده‌ای است که با کاهش انرژی فعال‌سازی، سرعت واکنش الکتروشیمیایی را تسریع می‌کند.

به گفته محققان، مولکول‌های فتالوسیانین کبالت که روی نانولوله‌های کربنی تثبیت شده‌اند، از معدود مولکول‌هایی هستند که توانایی کاتالیز کاهش الکتروشیمیایی دی‌اکسیدکربن به متانول را دارند.

در نسل قبلی این کاتالیزور، مولکول‌های فتالوسیانین کبالت تترامین به‌عنوان تنها سایت‌های فعال عمل می‌کردند که باعث می‌شد کاتالیزور گزینش‌پذیری نسبتاً پایینی در تولید متانول داشته باشد.

گزینش‌پذیری کاتالیزور توانایی آن در انتخاب واکنش خاصی برای تسریع آن است، به‌طوری‌که از انجام واکنش‌های ناخواسته یا تولید محصولات جانبی جلوگیری می‌کند. کاتالیزور با گزینش‌پذیری بالا قادر است واکنش شیمیایی خاصی را با کارایی بالا انجام دهد و دیگر واکنش‌ها یا محصولات اضافی را به حداقل برساند.

در کاتالیزورهایی که گزینش‌پذیری پایین دارند، ممکن است واکنش‌های دیگری به‌طور ناخواسته اتفاق بیفتد و این باعث کاهش کارایی کاتالیزور و افزایش هزینه‌ها و انرژی مصرفی می‌شود.

کاهش دی‌اکسیدکربن به متانول

واکنش کاهش الکتروشیمیایی دی‌اکسیدکربن در ۲ مرحله اتفاق می‌افتد: ۱) دی‌اکسیدکربن ابتدا به منوکسیدکربن تبدیل شده و ۲) سپس به متانول تبدیل می‌شود.

تیم تحقیقاتی ماده نیکل تترا متوکسی فتالوسیانین را به واکنش وارد کرد و دریافت که این ماده می‌تواند به کاتالیز واکنش تبدیل دی‌اکسیدکربن به منوکسیدکربن کمک کند و در نتیجه تولید متانول بهبود یابد. به گفته فنگ:

«این کاتالیزور هیبریدی نشان داد که بازده کاتالیزوری بسیار بالایی دارد؛ تقریبا ۱.۵ برابر بیشتر از بازده قبلی است! طیفی‌سنجی‌های پیشرفته ارتعاشی و اشعه ایکس نشان داد که این بهبود به‌دلیل انتقال منوکسیدکربن از سایت نیکل به سایت کبالت در همان نانولوله کربنی رخ داده است.»