وُجد أن معدنًا تربةً واسع الانتشار، وهو أوكسي هيدروكسيد الحديد ألفا (III)، يُعدّ عاملًا حفازًا قابلًا لإعادة التدوير في عملية الاختزال الضوئي لثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك. حقوق الصورة: البروفيسور كازوهيكو مايدا
يُعدّ الاختزال الضوئي لثاني أكسيد الكربون إلى وقود قابل للنقل، مثل حمض الفورميك (HCOOH)، وسيلة فعّالة لمكافحة ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي. وللمساعدة في هذه المهمة، اختار فريق بحثي في ​​معهد طوكيو للتكنولوجيا معدنًا حديديًا متوفرًا بسهولة، وحمّله على دعامة من الألومينا لتطوير عامل حفاز قادر على تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك بكفاءة عالية، وبانتقائية تصل إلى 90%!
تُعدّ السيارات الكهربائية خيارًا جذابًا للكثيرين، ومن أهمّ أسباب ذلك انعدام انبعاثات الكربون. إلا أن عيبها الرئيسي، في نظر الكثيرين، هو قصر مداها وطول مدة شحنها. وهنا تبرز ميزة الوقود السائل كالبنزين، إذ تتيح كثافة طاقته العالية مدىً أطول وإمكانية إعادة التزود بالوقود بسرعة.
يمكن أن يؤدي التحول من البنزين أو الديزل إلى وقود سائل مختلف إلى القضاء على انبعاثات الكربون مع الحفاظ على مزايا الوقود السائل. ففي خلية الوقود، على سبيل المثال، يمكن لحمض الفورميك تشغيل المحرك مع إطلاق الماء وثاني أكسيد الكربون. ومع ذلك، إذا تم إنتاج حمض الفورميك عن طريق اختزال ثاني أكسيد الكربون الجوي إلى حمض الفورميك، فإن الناتج الصافي الوحيد هو الماء.
أصبحت مستويات ثاني أكسيد الكربون المتزايدة في غلافنا الجوي ومساهمتها في ظاهرة الاحتباس الحراري أخباراً شائعة الآن. وبينما كان الباحثون يجربون مناهج مختلفة لحل المشكلة، ظهر حل فعال يتمثل في تحويل ثاني أكسيد الكربون الزائد في الغلاف الجوي إلى مواد كيميائية غنية بالطاقة.
حظي إنتاج أنواع الوقود مثل حمض الفورميك (HCOOH) عن طريق الاختزال الضوئي لثاني أكسيد الكربون في ضوء الشمس باهتمام كبير مؤخرًا، نظرًا لما لهذه العملية من فائدة مزدوجة: فهي تقلل من انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الزائدة، وتساعد أيضًا في الحد من نقص الطاقة الذي نواجهه حاليًا. وباعتباره ناقلًا ممتازًا للهيدروجين ذي كثافة طاقة عالية، يمكن لحمض الفورميك أن يوفر الطاقة من خلال الاحتراق، ولا ينتج عنه سوى الماء كمنتج ثانوي.
لتحقيق هذا الحل المربح، طوّر العلماء أنظمة تحفيز ضوئي تعمل على اختزال ثاني أكسيد الكربون باستخدام ضوء الشمس. يتكون هذا النظام من مادة ماصة للضوء (أي مُحسِّس ضوئي) ومحفز يُتيح نقل الإلكترونات المتعددة اللازمة لاختزال ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك. ومن هنا بدأت رحلة البحث عن محفزات مناسبة وفعّالة!
الاختزال التحفيزي الضوئي لثاني أكسيد الكربون باستخدام الرسوم البيانية للمركبات الشائعة الاستخدام. حقوق الصورة: البروفيسور كازوهيكو مايدا
نظراً لكفاءتها وإمكانية إعادة تدويرها، تُعتبر المحفزات الصلبة أفضل المرشحين لهذه المهمة، وعلى مر السنين، تم استكشاف القدرات التحفيزية للعديد من الأطر المعدنية العضوية (MOFs) القائمة على الكوبالت والمنغنيز والنيكل والحديد، ومن بينها يتميز الأخير ببعض المزايا مقارنة بالمعادن الأخرى. ومع ذلك، فإن معظم المحفزات القائمة على الحديد التي تم الإبلاغ عنها حتى الآن لا تنتج سوى أول أكسيد الكربون كمنتج رئيسي، وليس حمض الفورميك (HCOOH).
مع ذلك، تمكن فريق من الباحثين في معهد طوكيو للتكنولوجيا (طوكيو تك) بقيادة البروفيسور كازوهيكو مايدا من حل هذه المشكلة سريعًا. في دراسة حديثة نُشرت في مجلة الكيمياء التطبيقية Angewandte Chemie، أثبت الفريق فعالية محفز حديدي مدعوم بالألومينا (Al2O3) باستخدام هيدروكسيد الحديد الثلاثي ألفا (α-FeOOH؛ الجيوثيت). يُظهر المحفز الجديد α-FeOOH/Al2O3 أداءً ممتازًا في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك، بالإضافة إلى قابلية إعادة تدوير ممتازة. وعند سؤاله عن سبب اختيارهم لهذا المحفز، قال البروفيسور مايدا: "نرغب في استكشاف عناصر أكثر وفرة كمحفزات في أنظمة الاختزال الضوئي لثاني أكسيد الكربون. نحتاج إلى محفز صلب نشط، قابل لإعادة التدوير، غير سام، وغير مكلف. لهذا السبب اخترنا معادن التربة واسعة الانتشار مثل الجيوثيت لتجاربنا."
استخدم الفريق طريقة تشريب بسيطة لتصنيع المحفز الخاص بهم. ثم استخدموا مواد Al2O3 المدعومة بالحديد لاختزال ثاني أكسيد الكربون ضوئيًا في درجة حرارة الغرفة في وجود محسس ضوئي قائم على الروثينيوم (Ru)، ومانح للإلكترونات، وضوء مرئي بأطوال موجية تزيد عن 400 نانومتر.
النتائج مشجعة للغاية. بلغت انتقائية نظامهم للمنتج الرئيسي HCOOH 80-90% مع مردود كمي قدره 4.3% (مما يشير إلى كفاءة النظام).
تقدم هذه الدراسة محفزًا صلبًا فريدًا من نوعه قائمًا على الحديد يمكنه توليد حمض الفورميك عند اقترانه بمحسس ضوئي فعال. كما تناقش أهمية مادة الدعم المناسبة (Al2O3) وتأثيرها على تفاعل الاختزال الكيميائي الضوئي.
قد تُسهم نتائج هذا البحث في تطوير محفزات جديدة خالية من المعادن النفيسة لاختزال ثاني أكسيد الكربون ضوئيًا إلى مواد كيميائية أخرى مفيدة. ويختتم البروفيسور مايدا قائلاً: "يُظهر بحثنا أن الطريق إلى اقتصاد الطاقة النظيفة ليس معقدًا. فحتى طرق تحضير المحفزات البسيطة يمكن أن تُحقق نتائج رائعة، ومن المعروف أن المركبات المتوفرة بكثرة في الطبيعة، إذا ما دُعمت بمركبات مثل الألومينا، يُمكن استخدامها كمحفز انتقائي لاختزال ثاني أكسيد الكربون".
المراجع: "أوكسي هيدروكسيد حديد ألفا (III) المدعم بالألومينا كمحفز صلب قابل لإعادة التدوير لاستخلاص ثاني أكسيد الكربون ضوئيًا تحت الضوء المرئي" بقلم ديهيون آن، د. شونتا نيشيوكا، د. شوهي ياسودا، د. توموكي كانازاوا، د. يوشينوبو كاماكورا، بروفيسور .. توشيوكي يوكوي، بروفيسور شونسوكي نوزاوا، بروفيسور كازوهيكو مايدا، 12 مايو 2022، Angewandte Chemie.DOI: 10.1002 / anie.202204948
"هذا هو المكان الذي تتمتع فيه أنواع الوقود السائل مثل البنزين بميزة كبيرة. فكثافة الطاقة العالية فيها تعني مدى طويل وإمكانية إعادة التزود بالوقود بسرعة."
ماذا عن بعض الأرقام؟ كيف تقارن كثافة الطاقة لحمض الفورميك بالبنزين؟ مع وجود ذرة كربون واحدة فقط في الصيغة الكيميائية، أشك في أنها ستقترب حتى من البنزين.
إضافة إلى ذلك، فإن رائحته سامة للغاية، وباعتباره حمضًا، فهو أكثر تآكلًا من البنزين. هذه ليست مشاكل هندسية مستعصية، ولكن ما لم يُقدّم حمض الفورميك مزايا كبيرة في زيادة مدى القيادة وتقليل وقت إعادة شحن البطارية، فربما لا يستحق الأمر كل هذا العناء.
إذا كانوا يخططون لاستخراج الجيوثايت من التربة، فسيكون ذلك عملية تعدين كثيفة الطاقة وربما تضر بالبيئة.
قد يذكرون وجود الكثير من الجيوثايت في التربة، لأنني أظن أن الأمر سيتطلب المزيد من الطاقة للحصول على المواد الخام اللازمة وتفاعلها لتصنيع الجيوثايت.
من الضروري النظر إلى دورة حياة العملية بأكملها وحساب تكلفة الطاقة لكل شيء. لم تجد ناسا شيئًا اسمه إطلاق مجاني. يجب على الآخرين أن يضعوا هذا في الاعتبار.
SciTechDaily: موطن أفضل أخبار التكنولوجيا منذ عام 1998. ابقَ على اطلاع دائم بأحدث أخبار التكنولوجيا عبر البريد الإلكتروني أو وسائل التواصل الاجتماعي.
مجرد التفكير في نكهات الشواء المدخنة والشهية كافٍ لجعل معظم الناس يسيل لعابهم. لقد حلّ الصيف، وبالنسبة للكثيرين...