إنجاز كبير في تحويل الغازات الدفيئة إلى مواد كيميائية قيمة

في اكتشاف رائد، قام العلماء بتطوير محفز (catalyst) منخفض التكلفة قائم على القصدير يمكنه تحويل ثاني أكسيد الكربون (CO2) بشكل انتقائي إلى ثلاث مواد كيميائية منتجة على نطاق واسع: الإيثانول، وحمض الأسيتيك (acetic acid)، وحمض الفورميك (formic acid). وهذا الإنجاز لديه القدرة على إحداث ثورة في الطريقة التي نستخدم بها ثاني أكسيد الكربون، وتحويل غازات الدفيئة إلى سلع قيمة.

وقد فتح هذا البحث، الذي أجراه مختبر أرجون الوطني التابع لوزارة الطاقة الأمريكية، بالتعاون مع جامعة إلينوي الشمالية وجامعة فالبارايسو، إمكانيات جديدة لتقليل الانبعاثات الصناعية وإنتاج المواد الكيميائية الأساسية. يقوم المحفز المبتكر، الذي يتكون من معدن القصدير المترسب على دعامة كربونية، بتحويل ثاني أكسيد الكربون بكفاءة إلى المركبات المرغوبة بمستوى غير مسبوق من الانتقائية. ولهذا الإنجاز آثار كبيرة على البيئة، إذ يمكن أن يخفف من تأثير انبعاثات ثاني أكسيد الكربون على ظاهرة الاحتباس الحراري وتغير المناخ.

تاريخ موجز لتحويل ثاني أكسيد الكربون

إن مفهوم تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية قيمة كان موجودًا منذ عقود، وتعود جذوره إلى أوائل القرن التاسع عشر. ومع ذلك، ظلت الفكرة إلى حد كبير في عالم الخيال العلمي حتى جعلتها الاكتشافات الحديثة حقيقة ملموسة. دعونا نتعمق في التاريخ الرائع لتحويل ثاني أكسيد الكربون، بدءًا من بداياته المتواضعة وحتى الابتكارات الحالية.

في القرن التاسع عشر، أظهر الكيميائي الفرنسي هنري براكونو لأول مرة إمكانية تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى مركبات عضوية باستخدام الكهرباء. لقد وضع هذا العمل الرائد الأساس للبحث المستقبلي، ولكن لم يكتسب هذا المفهوم اهتمامًا كبيرًا إلا في الستينيات. خلال هذه الفترة، بدأ العلماء في استكشاف إمكانية استخدام ثاني أكسيد الكربون كمادة وسيطة للتخليق الكيميائي، مدفوعًا بالمخاوف المتزايدة بشأن تغير المناخ والحاجة إلى حلول الطاقة المستدامة.

في الثمانينيات، أحرز الباحثون تقدمًا كبيرًا في فهم التحويل التحفيزي الكهربائي لثاني أكسيد الكربون. وكان هذا الإنجاز مدفوعًا بتطوير مواد وتقنيات جديدة، مما مكنت من التحويل الفعال لثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية قيمة. وقد لعب اكتشاف المحفزات القائمة على المعادن، على وجه الخصوص، دورًا حاسمًا في تطوير تكنولوجيا تحويل ثاني أكسيد الكربون.

كان مطلع القرن الحادي والعشرين بمثابة نقطة تحول مهمة في هذه الأبحاث. أتاح التقدم في تكنولوجيا النانو وعلوم المواد تطوير محفزات أكثر كفاءة وانتقائية. وقد أدى هذا، جنباً إلى جنب مع الحاجة الملحة المتزايدة لمعالجة تغير المناخ، إلى دفع تحويل ثاني أكسيد الكربون من مجال بحثي متخصص إلى مصدر قلق رئيسي.

المحفز الذي يغير قواعد اللعبة

يتضمن النهج المبتكر للباحثين استخدام معدن القصدير المترسب على دعامة كربونية. كشفت الدراسات الحسابية والتجريبية التي أجراها الفريق أن آليات التفاعل المشاركة في تحويل ثاني أكسيد الكربون تعتمد بشكل كبير على حجم المحفز حيث أنه من خلال تغيير حجم القصدير المستخدم، من ذرات مفردة إلى مجموعات متناهية الصغر وبلورات نانوية أكبر، تمكن الفريق من التحكم في تحويل ثاني أكسيد الكربون لإنتاج المواد الكيميائية المطلوبة. وهذا المستوى من التحكم غير مسبوق، حيث تصل الانتقائية إلى نسبة مذهلة تبلغ 90% أو أعلى لكل من المواد الكيميائية الثلاث.

على سبيل المثال، عندما كان حجم المحفز صغيرًا، حصل الفريق على الإيثانول باعتباره المنتج الأساسي. مع زيادة حجم المحفز، تحول مسار التفاعل، وأصبح حمض الأسيتيك أو حمض الفورميك هو المنتج السائد. هذا المستوى من التحكم غير مسبوق وله آثار كبيرة على مستقبل تحويل ثاني أكسيد الكربون. كان أحد الاكتشافات المفاجئة هو ملاحظة تأثير النظائر الحركية (kinetic isotope effect)، حيث تغير مسار التفاعل بشكل كبير عندما تحول الباحثون من الماء العادي إلى الماء الثقيل (deuterated water). هذا التأثير لم يسبق له مثيل من قبل في تحويل ثاني أكسيد الكربون ويسلط الضوء على تعقيدات الكيمياء الأساسية.

ولكن ما الذي يجعل هذا المحفز مميزًا جدًا؟ تكمن الإجابة في خصائصه الفريدة، والتي تسمح له بتسهيل التحويل التحفيزي الكهربائي لثاني أكسيد الكربون بكفاءة ملحوظة. تُعزى الانتقائية الفائقة للمحفز القائم على القصدير إلى مسار التفاعل المتغير الناجم عن حجم المحفز، وهي ظاهرة لم يتم ملاحظتها من قبل في تحويل ثاني أكسيد الكربون. يتمتع هذا الإنجاز بالقدرة على إحداث ثورة في الطريقة التي نتعامل بها مع استخدام ثاني أكسيد الكربون وإنتاج المواد الكيميائية.

مستقبل أكثر اخضرارًا

تخيل مستقبلًا حيث لم تعد العمليات الصناعية تساهم في انبعاثات الغازات الدفيئة، وبدلاً من ذلك، تنتج مواد كيميائية قيمة تعود بالنفع على البيئة والاقتصاد. وقد تصبح هذه الرؤية حقيقة قريبًا، وذلك بفضل الاكتشاف الرائد في تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى المواد الثلاثة التي ذكرناها. هذه المواد الكيميائية هي من بين المواد الأكثر إنتاجًا في الولايات المتحدة وتوجد في العديد من المنتجات التجارية، بما في ذلك السلع المنزلية والبنزين.

التأثير المحتمل لهذا الاكتشاف كبير. ومن خلال احتجاز انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من المصادر الصناعية، مثل محطات توليد الطاقة بالوقود الأحفوري، ومرافق التخمير الحيوي، ومحطات معالجة النفايات، وتحويلها إلى مواد كيميائية قيمة، يصبح بوسعنا الحد من انبعاثات الغازات المسببة للاحتباس الحراري.

تمتد فوائد هذه التكنولوجيا إلى ما هو أبعد من البيئة. ومن الممكن أيضاً أن يخلق فرصاً اقتصادية جديدة، لا سيما في المناطق ذات موارد الطاقة المتجددة الوفيرة. ومن الممكن أن تزدهر المجتمعات المحلية من خلال إنتاج مواد كيميائية قيمة، وخلق فرص العمل، وتحفيز الاقتصادات المحلية.

المصادر:

eurekalert