كانازاوا، اليابان، 8 يونيو 2023 /PRNewswire/ - أفاد باحثون من جامعة كانازاوا بكيفية استخدام طبقة رقيقة للغاية من ثاني كبريتيد القصدير لتسريع الاختزال الكيميائي لثاني أكسيد الكربون، من أجل مجتمع محايد للكربون.
يُعدّ إعادة تدوير ثاني أكسيد الكربون (CO2) المنبعث من العمليات الصناعية ضرورة ملحة في سعي البشرية الحثيث نحو مجتمع مستدام وخالٍ من الكربون. ولهذا السبب، تُجرى حاليًا دراسات مكثفة على المحفزات الكهربائية القادرة على تحويل ثاني أكسيد الكربون بكفاءة إلى منتجات كيميائية أخرى أقل ضررًا. وتُعتبر فئة من المواد تُعرف باسم ثنائي الكالكوجينيدات المعدنية ثنائية الأبعاد (2D) مرشحة لتكون محفزات كهربائية لتحويل ثاني أكسيد الكربون، إلا أن هذه المواد غالبًا ما تُحفز تفاعلات منافسة، مما يُقلل من كفاءتها. وقد حدد ياسوفومي تاكاهاشي وزملاؤه في معهد علوم النانو الحيوية بجامعة كانازاوا (WPI-NanoLSI) ثنائي الكالكوجينيد المعدني ثنائي الأبعاد القادر على اختزال ثاني أكسيد الكربون بفعالية إلى حمض الفورميك، ليس فقط من أصل طبيعي. علاوة على ذلك، يُعدّ هذا المركب حلقة وصل وسيطة، ناتجة عن عملية التخليق الكيميائي.
قارن تاكاهاشي وزملاؤه النشاط التحفيزي لثنائي كبريتيد الموليبدينوم (MoS2) وثنائي كبريتيد القصدير (SnS2). كلاهما من ثنائي الكالكوجينيدات المعدنية ثنائية الأبعاد، ويحظى الأخير باهتمام خاص لأن القصدير النقي معروف بكونه محفزًا لإنتاج حمض الفورميك. أظهرت الاختبارات الكهروكيميائية لهذه المركبات أن تفاعل إنتاج الهيدروجين (HER) يتسارع باستخدام MoS2 بدلًا من تحويل ثاني أكسيد الكربون. يشير HER إلى التفاعل الذي ينتج الهيدروجين، وهو أمر مفيد عند الرغبة في إنتاج وقود الهيدروجين، ولكنه في حالة اختزال ثاني أكسيد الكربون، يُعد عملية منافسة غير مرغوب فيها. من ناحية أخرى، أظهر SnS2 نشاطًا جيدًا في اختزال ثاني أكسيد الكربون، كما أنه يثبط تفاعل HER. أجرى الباحثون أيضًا قياسات كهروكيميائية لمسحوق SnS2 ووجدوا أنه أقل نشاطًا في الاختزال التحفيزي لثاني أكسيد الكربون.
لفهم مواقع المواقع النشطة تحفيزيًا في كبريتيد القصدير (SnS2) وسبب تفوق أداء المادة ثنائية الأبعاد على المركب الكتلي، استخدم العلماء تقنية تُعرف باسم المجهر الكهروكيميائي للخلايا الماسحة (SECCM). يُستخدم المجهر الكهروكيميائي للخلايا الماسحة كأنبوب نانوي، مُشكِّلًا خلية كهروكيميائية نانوية على شكل هلال، تُستخدم في مجسات حساسة للتفاعلات السطحية على العينات. أظهرت القياسات أن سطح صفيحة SnS2 بأكمله نشط تحفيزيًا، وليس فقط عناصر "المنصة" أو "الحافة" في بنيتها. وهذا يُفسر أيضًا سبب تمتع SnS2 ثنائي الأبعاد بنشاط أعلى مقارنةً بـ SnS2 الكتلي.
تُقدّم الحسابات مزيدًا من المعلومات حول التفاعلات الكيميائية التي تحدث. وعلى وجه الخصوص، تم تحديد تكوين حمض الفورميك كمسار تفاعل مفضل من الناحية الطاقية عند استخدام ثنائي كبريتيد القصدير ثنائي الأبعاد (SnS2) كمحفز.
تُمثل نتائج تاكاهاشي وزملائه خطوةً هامةً نحو استخدام المحفزات الكهربائية ثنائية الأبعاد في تطبيقات الاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون. ويشير العلماء إلى أن: "هذه النتائج ستُسهم في فهمٍ أفضل وتطويرٍ لاستراتيجية التحفيز الكهربائي ثنائية الأبعاد لثنائي الكالكوجينيد المعدني، وذلك للاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون لإنتاج الهيدروكربونات والكحولات والأحماض الدهنية والألكينات دون آثار جانبية."
تُعدّ الصفائح ثنائية الأبعاد (أو الطبقات الأحادية) من ثنائي الكالكوجينيدات المعدنية مواد من نوع MX2، حيث يُمثّل M ذرة معدنية، مثل الموليبدينوم (Mo) أو القصدير (Sn)، بينما يُمثّل X ذرة كالكوجين، مثل الكبريت (C). يُمكن التعبير عن البنية كطبقة من ذرات X فوق طبقة من ذرات M، والتي بدورها تقع فوق طبقة من ذرات X. تنتمي ثنائي الكالكوجينيدات المعدنية ثنائية الأبعاد إلى فئة تُعرف بالمواد ثنائية الأبعاد (والتي تشمل أيضًا الجرافين)، مما يعني أنها رقيقة. غالبًا ما تمتلك المواد ثنائية الأبعاد خصائص فيزيائية مختلفة عن نظيراتها ثلاثية الأبعاد.
خضعت ثنائيات الكالكوجينيدات المعدنية ثنائية الأبعاد للدراسة لتقييم نشاطها التحفيزي الكهربائي في تفاعل إنتاج الهيدروجين (HER)، وهي عملية كيميائية تُنتج الهيدروجين. ولكن الآن، وجد ياسوفومي تاكاهاشي وزملاؤه في جامعة كانازاوا أن ثنائي الكالكوجينيد المعدني ثنائي الأبعاد SnS2 لا يُظهر نشاطًا تحفيزيًا في تفاعل إنتاج الهيدروجين؛ وهذه خاصية بالغة الأهمية في السياق الاستراتيجي لهذه التجربة.
يوسوكي كوابي، يوشيكازو إيتو، يوتا هوري، سوريش كوكونوري، فوميا شيوكاوا، توموهيكو نيشيوتشي، صامويل تشون، كوسوكي كاتاجيري، زيو شي، تشيكاي لي، ياسوترو شيجيتا، وياسوفومي تاكاهاشي. اللوحة 1T/1H-SnS2 للنقل الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون، ACS XX، XXX – XXX (2023).
العنوان: تجارب المسح الضوئي على المجهر الكهروكيميائي للخلايا لدراسة النشاط التحفيزي لألواح SnS2 لتقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون.
تأسس معهد النانو بيولوجي بجامعة كانازاوا (NanoLSI) عام ٢٠١٧ كجزء من برنامج مركز الأبحاث الدولي الرائد عالميًا MEXT. يهدف البرنامج إلى إنشاء مركز أبحاث عالمي المستوى. ومن خلال دمج أهم المعارف في مجال مجهر المسح البيولوجي، يطور معهد NanoLSI تقنية "التنظير النانوي" للتصوير المباشر وتحليل ومعالجة الجزيئات الحيوية، بهدف فهم الآليات التي تتحكم في الظواهر الحيوية كالأمراض.
باعتبارها جامعة رائدة في التعليم العام على ساحل بحر اليابان، قدمت جامعة كانازاوا مساهمات كبيرة في التعليم العالي والبحث الأكاديمي في اليابان منذ تأسيسها عام 1949. تضم الجامعة ثلاث كليات و17 مدرسة تقدم تخصصات مثل الطب والحوسبة والعلوم الإنسانية.
تقع الجامعة في كانازاوا، المدينة الشهيرة بتاريخها وثقافتها، على ساحل بحر اليابان. ومنذ العصر الإقطاعي (1598-1867)، تمتعت كانازاوا بمكانة فكرية مرموقة. تنقسم جامعة كانازاوا إلى حرمين جامعيين رئيسيين، كاكوما وتاكاراماتشي، ويبلغ عدد طلابها حوالي 10200 طالب، منهم 600 طالب دولي.
للاطلاع على المحتوى الأصلي: https://www.prnewswire.com/news-releases/kanazawa-university-research-enhancing-carbon-dioxide-reduction-301846809.html