تمت مراجعة هذه المقالة وفقًا لإجراءات وسياسات التحرير الخاصة بمجلة ساينس إكس. وقد حرص المحررون على مراعاة المعايير التالية مع ضمان سلامة المحتوى:
يُعدّ ثاني أكسيد الكربون (CO2) مورداً أساسياً للحياة على الأرض، وفي الوقت نفسه غازاً دفيئاً يُساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري. يدرس العلماء اليوم ثاني أكسيد الكربون كمورد واعد لإنتاج وقود متجدد منخفض الكربون ومنتجات كيميائية عالية القيمة.
يتمثل التحدي الذي يواجه الباحثين في تحديد طرق فعالة واقتصادية لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وسائط كربونية عالية الجودة مثل أول أكسيد الكربون أو الميثانول أو حمض الفورميك.
توصل فريق بحثي بقيادة كيه كيه نويرلين من المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) وبالتعاون مع باحثين من مختبري أرغون وأوك ريدج الوطنيين، إلى حل واعد لهذه المشكلة. فقد طور الفريق طريقة لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك باستخدام الكهرباء المتجددة بكفاءة طاقة عالية واستدامة طويلة الأمد.
نُشرت الدراسة، التي تحمل عنوان "بنية تجميع الأقطاب الكهربائية الغشائية القابلة للتطوير من أجل التحويل الكهروكيميائي الفعال لثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك"، في مجلة Nature Communications.
يُعد حمض الفورميك وسيطًا كيميائيًا محتملاً ذو تطبيقات واسعة، لا سيما كمادة خام في الصناعات الكيميائية والبيولوجية. كما تم تحديد حمض الفورميك كمادة أولية للتكرير الحيوي لإنتاج وقود طيران نظيف.
ينتج عن التحليل الكهربائي لثاني أكسيد الكربون اختزال ثاني أكسيد الكربون إلى وسائط كيميائية مثل حمض الفورميك أو جزيئات مثل الإيثيلين عند تطبيق جهد كهربائي على الخلية التحليلية.
يتكون تجميع الغشاء والقطب الكهربائي (MEA) في المحلل الكهربائي عادةً من غشاء موصل للأيونات (غشاء تبادل الكاتيونات أو الأنيونات) محصور بين قطبين كهربائيين يتكونان من محفز كهربائي وبوليمر موصل للأيونات.
باستخدام خبرة الفريق في تقنيات خلايا الوقود والتحليل الكهربائي للهيدروجين، قاموا بدراسة العديد من تكوينات MEA في الخلايا التحليلية لمقارنة الاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك.
استنادًا إلى تحليل فشل التصاميم المختلفة، سعى الفريق إلى استغلال القيود المفروضة على مجموعات المواد الحالية، ولا سيما عدم وجود رفض للأيونات في أغشية التبادل الأنيوني الحالية، وتبسيط تصميم النظام بشكل عام.
ابتكر كلٌ من كيه إس نيرلين وليمينغ هو من المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL) جهاز تحليل كهربائي محسّنًا بتقنية MEA باستخدام غشاء تبادل كاتيونات مثقب جديد. يوفر هذا الغشاء المثقب إنتاجًا ثابتًا وانتقائيًا للغاية لحمض الفورميك، كما يُبسّط التصميم باستخدام مكونات متوفرة تجاريًا.
"تمثل نتائج هذه الدراسة نقلة نوعية في الإنتاج الكهروكيميائي للأحماض العضوية مثل حمض الفورميك"، كما صرح المؤلف المشارك نيرلين. "يُقلل هيكل الغشاء المثقب من تعقيد التصاميم السابقة، ويمكن استخدامه أيضًا لتحسين كفاءة الطاقة ومتانة أجهزة تحويل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائية الأخرى."
كما هو الحال مع أي إنجاز علمي، من المهم فهم عوامل التكلفة والجدوى الاقتصادية. قدّم الباحثان تشي هوانغ وتاو لينغ، بالتعاون بين مختلف الأقسام في المختبر الوطني للطاقة المتجددة (NREL)، تحليلاً تقنياً واقتصادياً يحدد طرقاً لتحقيق تكافؤ التكلفة مع عمليات إنتاج حمض الفورميك الصناعية الحالية عندما تكون تكلفة الكهرباء المتجددة عند أو أقل من 2.3 سنت لكل كيلوواط ساعة.
وقال نيرلين: "لقد حقق الفريق هذه النتائج باستخدام المحفزات المتوفرة تجارياً ومواد أغشية البوليمر، مع ابتكار تصميم MEA يستفيد من قابلية التوسع لخلايا الوقود الحديثة ومحطات التحليل الكهربائي للهيدروجين".
"يمكن أن تساعد نتائج هذا البحث في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود ومواد كيميائية باستخدام الكهرباء المتجددة والهيدروجين، مما يسرع الانتقال إلى التوسع والتسويق التجاري."
تُعد تقنيات التحويل الكهروكيميائي عنصرًا أساسيًا في برنامج NREL لتحويل الإلكترونات إلى جزيئات، والذي يركز على الجيل القادم من الهيدروجين المتجدد، والوقود الخالي من الانبعاثات، والمواد الكيميائية والمواد اللازمة للعمليات التي تعمل بالكهرباء.
"يستكشف برنامجنا طرقًا لاستخدام الكهرباء المتجددة لتحويل جزيئات مثل ثاني أكسيد الكربون والماء إلى مركبات يمكن أن تكون بمثابة مصادر للطاقة"، كما قال راندي كورترايت، مدير استراتيجية نقل الإلكترون و/أو المواد الأولية لإنتاج الوقود أو المواد الكيميائية في المختبر الوطني للطاقة المتجددة.
"يوفر هذا البحث في مجال التحويل الكهروكيميائي إنجازًا هامًا يمكن استخدامه في مجموعة من عمليات التحويل الكهروكيميائي، ونتطلع إلى المزيد من النتائج الواعدة من هذه المجموعة."
للمزيد من المعلومات: ليمينغ هو وآخرون، بنية تجميع أقطاب غشائية قابلة للتطوير لتحويل ثاني أكسيد الكربون بكفاءة إلى حمض الفورميك، مجلة نيتشر كوميونيكيشنز (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-43409-6
إذا صادفت خطأً مطبعياً أو معلومة غير دقيقة، أو أردتَ تقديم طلب لتعديل محتوى هذه الصفحة، فيُرجى استخدام هذا النموذج. للاستفسارات العامة، يُرجى استخدام نموذج الاتصال. ولإبداء الملاحظات العامة، يُرجى استخدام قسم التعليقات العامة أدناه (اتبع التعليمات).
ملاحظاتكم تهمنا كثيراً. مع ذلك، ونظراً لكثرة الرسائل، لا يمكننا ضمان الرد على كل رسالة على حدة.
يُستخدم عنوان بريدك الإلكتروني فقط لإبلاغ المستلمين بهوية مُرسِل الرسالة. ولن يُستخدم عنوانك أو عنوان المستلم لأي غرض آخر. ستظهر المعلومات التي تُدخلها في رسالتك الإلكترونية ولن يتم تخزينها بواسطة Tech Xplore بأي شكل من الأشكال.
يستخدم هذا الموقع ملفات تعريف الارتباط لتسهيل التصفح، وتحليل استخدامك لخدماتنا، وجمع بيانات تخصيص الإعلانات، وتوفير محتوى من جهات خارجية. باستخدامك موقعنا، فإنك تقرّ بأنك قد قرأت وفهمت سياسة الخصوصية وشروط الاستخدام الخاصة بنا.