يُحدث المحفز الذي لا يمكن إيقافه ثورة في احتجاز الكربون والكبريت

يمكن للمحفز الكهروكيميائي لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات قيمة أن يحافظ على الشوائب التي تسمم الإصدارات الحالية.

يعمل المحفز الجديد على تحسين تحويل الكربون المحتجز إلى منتجات تجارية، مع الحفاظ على كفاءة عالية على الرغم من ملوثات أكسيد الكبريت. يمكن أن يؤدي هذا الاكتشاف إلى تقليل التكاليف ومتطلبات الطاقة بشكل كبير في تقنيات احتجاز الكربون، التي تؤثر على الصناعات الثقيلة.

يعمل المحفز المصمم حديثًا، والذي طوره باحثون في جامعة تورونتو للهندسة، على تحويل الكربون المحتجز إلى منتجات قيمة – حتى في وجود ملوث يقلل من كفاءة الإصدارات الحالية.

يعد هذا الاكتشاف خطوة مهمة نحو تقنيات مجدية اقتصاديًا لالتقاط الكربون وتخزينه والتي يمكن دمجها في العمليات الصناعية الحالية.

التقدم في تكنولوجيا تحويل الكربون

يقول المؤلف الرئيسي البروفيسور ديفيد سينتون (MIE): “اليوم، لدينا فرص أفضل لإنتاج كهرباء منخفضة الكربون أكثر من أي وقت مضى”. الطاقة الطبيعية يصف 4 يوليو المحفز الجديد.

“ولكن هناك قطاعات أخرى من الاقتصاد سيكون من الصعب إزالة الكربون منها: على سبيل المثال، إنتاج الصلب والأسمنت. ولمساعدة هذه الصناعات، نحتاج إلى إيجاد طرق فعالة من حيث التكلفة لالتقاط وتحسين الكربون في مجاري نفاياتها”.

يحمل طلاب الدكتوراه في الهندسة بجامعة تورنتو روي كاي (راي) مياو (يسار) وبانوس بابانجيلاكيس (يمين) محفزًا جديدًا مصممًا لتحويل غاز ثاني أكسيد الكربون المحتجز إلى منتجات قيمة. تعمل نسختهم بشكل جيد حتى في وجود ثاني أكسيد الكبريت، وهو مادة ملوثة تسمم المحفزات الأخرى. الائتمان: تايلر ايرفينغ / جامعة تورنتو للهندسة

تطبيق المحلل الكهربائي في تحويل الكربون

يستخدم سينتون وفريقه أجهزة تسمى المحللات الكهربائية لتحويل ثاني أكسيد الكربون والكهرباء إلى منتجات مثل الإيثيلين والإيثانول. يمكن بيع هذه الجزيئات المعتمدة على الكربون كوقود أو استخدامها كمواد خام كيميائية لصنع منتجات يومية مثل البلاستيك.

داخل المحلل الكهربائي، يحدث تفاعل التحويل عندما تجتمع المكونات الثلاثة – غاز ثاني أكسيد الكربون والإلكترونات والكهارل السائل المائي – معًا على سطح المحفز الصلب.

غالبًا ما يكون المحفز مصنوعًا من النحاس، ولكنه قد يحتوي على معادن أو مركبات عضوية أخرى يمكنها تحسين النظام بشكل أكبر. وتتمثل وظيفتها في تسريع التفاعل وتقليل تكوين المنتجات الجانبية غير المرغوب فيها مثل غاز الهيدروجين، مما يقلل من كفاءة العملية بأكملها.

معالجة تحديات أداء المحفز

على الرغم من أن العديد من المجموعات حول العالم تعمل على تطوير محفزات عالية الأداء، إلا أنها جميعها مصممة للعمل بتغذية ثاني أكسيد الكربون النقي. ولكن إذا كان الكربون المعني يأتي من المداخن، فمن المرجح أن تكون التغذية أنظف.

يقول بانوس بابانجيلاكيس، طالب دكتوراه في قسم الهندسة الميكانيكية وأحد المؤلفين الخمسة المشاركين في الورقة الجديدة: “لا يحب مصممو المحفزات عمومًا التعامل مع الشوائب، وذلك لسبب وجيه”.

“إن أكاسيد الكبريت مثل ثاني أكسيد الكبريت تسمم المحفز عن طريق الارتباط بالسطح. وهذا يترك مواقع أقل لتفاعل ثاني أكسيد الكربون معها، ويتسبب أيضًا في تكوين مواد كيميائية لا تريدها.

“يحدث ذلك بسرعة كبيرة: بعض المحفزات تدوم لمئات الساعات في التغذية النقية، وإذا أدخلت هذه الشوائب، فإنها تفقد كفاءتها بنسبة 5٪ في بضع دقائق.”

على الرغم من وجود طرق راسخة لإزالة الشوائب من غازات العادم الغنية بثاني أكسيد الكربون قبل تغذيتها إلى المحلل الكهربائي، إلا أنها تستغرق وقتًا طويلاً، وتستهلك الكثير من الطاقة، وتزيد من تكلفة احتجاز الكربون وترقيته. وفي حالة ثاني أكسيد الكبريت، حتى القليل منه يمكن أن يمثل مشكلة كبيرة.

يقول بابانكالاكيس: “حتى لو قمت بتقليل غاز العادم إلى أقل من 10 أجزاء في المليون، أو 0.001% من التغذية، فإن المحفز سوف يتسمم خلال ساعتين”.

الابتكارات في تصميم المحفز

في الورقة، يصف الفريق كيف شرع الفريق في تصميم محفز أكثر مرونة يمكنه تحمل ثاني أكسيد الكبريت عن طريق إجراء تغييرين رئيسيين على محفز نموذجي يعتمد على النحاس.

وعلى جانب واحد، أضافوا طبقة رقيقة من مادة البولي تترافلوروإيثيلين، المعروفة أيضًا باسم التيفلون. تعمل هذه المادة غير اللزجة على تغيير الكيمياء الموجودة على سطح المحفز، مما يمنع التفاعلات التي تمكن من إزالة سموم ثاني أكسيد الكبريت.

ومن ناحية أخرى، أضافوا طبقة من Nafion، وهو بوليمر موصل للكهرباء يستخدم غالبًا في خلايا الوقود. تحتوي هذه المادة المعقدة المسامية على بعض الأجزاء المحبة للماء، مما يعني أنها تجذب الماء، في حين أن الأجزاء الأخرى كارهة للماء، أي أنها تطرد الماء. هذا الهيكل يجعل من الصعب على ثاني أكسيد الكبريت الوصول إلى سطح المحفز.

الأداء في الظروف المعاكسة

قام الفريق بتغذية هذا المحفز بخليط من ثاني أكسيد الكربون وثاني أكسيد الكبريت، حيث تركز الأخير إلى حوالي 400 جزء في المليون، على غرار تيار النفايات الصناعية. وحتى في ظل هذه الظروف القاسية، كان أداء المحفز الجديد جيدًا.

يقول بابانكالاكيس: “في الورقة البحثية، أبلغنا عن كفاءة فاراداي – عدد الإلكترونات التي انتهى بها الأمر في المنتجات المرغوبة – بنسبة 50٪، والتي تمكنا من الحفاظ عليها لمدة 150 ساعة”.

“هناك بعض المحفزات التي يمكن أن تبدأ بكفاءة عالية، ربما 75% أو 80%. ولكن مرة أخرى، إذا قمت بتعريضها لثاني أكسيد الكبريت، في غضون دقائق قليلة أو ساعتين على الأكثر، فلن يكون هناك شيء تقريبًا. لقد تمكنت من مقاومة ذلك.”

الاتجاهات والتداعيات المستقبلية

يقول بابانكالاكيس: نظرًا لأن النهج الذي اتبعه فريقه لا يؤثر على بنية المحفز نفسه، فيجب أن يكون قابلاً للتطبيق على نطاق واسع. وبعبارة أخرى، يمكن للمجموعات التي طورت بالفعل محفزات عالية الأداء أن تستخدم طبقات مماثلة لتوفير مقاومة للتسمم بأكسيد الكبريت.

على الرغم من أن أكاسيد الكبريت هي الشوائب الأكثر تحديًا في مجاري النفايات التقليدية، إلا أنها ليست الوحيدة، وهي عبارة عن مجموعة كاملة من الملوثات الكيميائية التي تتجه إليها المجموعة بعد ذلك.

يقول بابانكالاكيس: “هناك العديد من الملوثات التي يجب أخذها في الاعتبار، مثل أكاسيد النيتروجين والأكسجين”.

“لكن من المبشر جدًا أن يعمل هذا النهج بشكل جيد مع أكاسيد الكبريت. قبل هذا العمل، كان من المسلم به أنه يتعين عليك إزالة الشوائب قبل تحسين ثاني أكسيد الكربون. ما أظهرناه هو أنه قد تكون هناك طريقة أخرى للتعامل معها، مما يفتح الكثير من الإمكانيات الجديدة.”

المرجع: “تحسين تحمل ثاني أكسيد الكبريت للمحفزات الكهربائية لتخفيض ثاني أكسيد الكربون باستخدام تصميم البوليمر/المحفز/الأيونومر غير المتجانس” باناجيوتيس بابانجالاكيس، روي كاي مياو، رويهو لو، هانكي ليو، جي وانغ، عدنان كوستن، شيجي، ليولين، بي نينغ. أوبراين، يونغفنغ هو، محسن شاكوري، كونفنغ شياو، منغشا لي، بهروز خاطر، جيانان إريك هوانغ، ياكون وانغ، يورو سيلين شياو، فنغ لي، علي شايستيه زيراتي، تشيانغ تشانغ، بينجيو ليو، جين واي جولوفين. ، هونغيان ليانغ، زيون وانغ، جون لي، إدوارد سارجنت، وديفيد سينتون، 4 يوليو 2024، الطاقة الطبيعية.
دوى: 10.1038/s41560-024-01577-9