تبدیل کربن دی اکسید به سوخت های صنعتی

روزی را تصور کنید که گازهای حاصل از نیروگاه‌ها و صنایع سنگین به‌جای این که در اتمسفر تخلیه شوند، وارد رآکتورهای کاتالیز‌کننده‌ای شوند که گازهای گلخانه‌ای نظیر کربن‌دی‌اکسید را از لحاظ شیمیایی به سوخت‌های صنعتی یا مواد شیمیایی که فقط اکسیژن آزاد می‌کنند، تبدیل کنند. این همان آینده‌ای است که هائوتین وانگ می‌گوید ممکن است تحقق آن بسیار نزدیک باشد.

وانگ و همکارانش یک سیستم بهبود‌یافته به‌منظور استفاده از الکتریسیته برای احیای کربن‌دی‌اکسید به کربن‌مونوکسید (ماده‌ای کلیدی که در برخی از فرایندهای صنعتی مصرف می‌شود) توسعه داده‌اند. این سیستم در ژورنال Joule تشریح شده است. وانگ گفت:

ایده‌ی امیدوارکننده‌ در این زمینه، امکان پیوند این دستگاه‌ها با نیروگاه‌هایی است که از سوخت‌های فسیلی استفاده می‌کنند؛ یا صنایعی که میزان زیادی کربن‌دی‌اکسید تولید می‌کنند. در حدود ۲۰ درصد از این گازها، از نوع کربن‌دی‌اکسید هستند. بنابراین اگر بتوانیم این گازها را درون یک سلول پمپ کنیم، با استفاده از الکتریسیته می‌توانیم مواد شیمیایی مفیدی را از این مواد زائد تولید کنیم و حتی بخشی از چرخه‌ی کربن‌دی‌اکسید را مسدود کنیم.

سیستم جدید نمونه‌ای پیشرفته از مدل اولیه‌ای است که وانگ و همکارنش در سال ۲۰۱۷ در ژورنال Chem تشریح کرده بودند. سیستم قدیمی با اندازه‌ای در حدود اندازه‌ی یک تلفن همراه دارای دو فضای پرشده با الکترود بود. در سیستم جدید که دارای هزینه‌ی بسیار کمتری است، برای رسیدن به بازده بیشتر از غلظت بالای گاز کربن‌دی‌اکسید و بخار آب استفاده شده است؛ یک سلول ۱۰×۱۰ سانتی‌متر که می‌تواند تا ۴ لیتر مونوکسید‌کربن در ساعت تولید کند.

سیستم جدید تبدیل کربن‌دی‌اکسید به کربن‌مونوکسید

در سیستم جدید به دو مشکل اصلی پرداخته شده است: هزینه و مقیاس‌پذیری، مواردی که محدودیت نمونه‌ی اولیه به شمار می‌رفتند. وانگ گفت:

ما در کار قبلی متوجه شده بودیم که کاتالیزور تک‌اتمی نیکل در احیای کربن‌دی‌اکسید به مونوکسید‌کربن بسیار انتخابی عمل می‌کند؛ اما یکی از چالش‌هایی که با آن رو‌به‌رو بودیم این بود که سنتز این مواد بسیار هزینه‌بر بود. ماده‌ای که ما از آن نگهداشتن نیکل استفاده می‌کردیم، مبتنی بر گرافن بود و به این علت مقیاس‌پذیری آن بسیار مشکل بود.

پژوهشگران برای حل این مشکل به سمت یک محصول تجاری جایگزین رفتند که قیمت آن هزاران برابر کمتر از گرافن بود: کربن سیاه. با استفاده از فرایندی شبیه جاذبه‌ی الکترواستاتیکی، وانگ و همکارانش قادر به جذب اتم‌های انفرادی نیکل (دارای بار مثبت) در فضاهای نانوذرات کربن سیاه (دارای بار منفی) شدند که ماده‌ی حاصل هم ارزان است و هم برای احیای کربن‌دی‌اکسید به‌شدت انتخابی عمل می‌کند.

وانگ گفت:

هم‌اکنون ما می‌توانیم در مقیاس گرم کار کنیم؛ اما قبلا فقط می‌توانستیم در مقیاس میلی‌گرم تولید کنیم و این موضوع فقط توسط تجهیزات سنتزی که ما داریم محدود می‌شود؛ اگر شما یک مخزن بزرگ‌تر داشته باشید، می‌توانید از این کاتالیزور در واحد کیلوگرم و حتی تن تولید کنید.

چالش دیگری که وانگ و همکارانش باید بر آن غلبه می‌کردند، این موضوع بود که سیستم اولیه تنها در یک محلول مایع کار می‌کرد. در سیستم اولیه با استفاده از یک الکترود، ملکول‌های آب به اکسیژن و پروتون تبدیل می‌شدند. همان‌طور که حباب‌های اکسیژن از مایع خارج می‌شدند، پروتون‌ها از طریق محلول هدایت شده و وارد فضای دوم می‌شدند و در آنجا با کمک کاتالیزور نیکل با کربن‌دی‌اکسید اتصال برقرار کرده و این مولکول را تجزیه و مونوکسیدکربن و آب به‌جای می‌گذاشتند. پس از آن آب دوباره به فضای اول باز می‌گشت تا دوباره مورد تجزیه قرار گیرد و این فرایند دوباره آغاز شود. او گفت:

مشکل آنجا بود که مولکول‌های کربن‌دی‌اکسیدی که ما می‌توانستیم در این سیستم احیا کنیم، فقط آن‌هایی بودند که در آب حل شده بودند؛ بیشتر مولکول‌های اطراف کاتالیزور آب بودند و فقط مقدار کمی کربن‌دی‌اکسید وجود داشت و بنابراین بازده این کار اصلا کافی نبود.

در حالیکه افزایش ولتاژ اعمال‌شده روی کاتالیزور (به‌سادگی) برای افزایش سرعت واکنش احیا ممکن است وسوسه‌انگیز باشد، ولی این امر می‌تواند دارای پیامد ناخواسته‌ی تجزیه‌ی آب و نه احیای کربن‌دی‌اکسید باشد. وانگ گفت:

اگر مقدار کربن‌دی‌اکسیدی که در حوالی الکترود است را کم کنید، دیگر مولکول‌ها در اطراف الکترود منتشر می‌شوند و سرعت عمل کم می‌شود؛ اما اگر ولتاژ را افزایش دهید، این احتمال وجود دارد که آب اطراف مجالی برای واکنش و تجزیه به هیدروژن و اکسیژن پیدا کند.راه‌حل مشکل اجتناب از تجزیه‌ی آب و خارج کردن کاتالیزرو از محلول بود. او گفت:

ما آب مایع را با بخار آب جایگزین کردیم و سیستم را با غلظت بالایی از گاز کربن‌دی‌اکسید تغذیه کردیم، بنابراین اگر سیستم قدیمی حاوی ۹۹ درصد آب و کمتر از ۱ درصد کربن‌دی‌اکسید بود، اکنون ما این سیستم را کاملا بر عکس کرده‌ایم و ۹۷ درصد گاز کربن‌دی‌اکسید و فقط ۳ درصد بخار آب وارد سیستم کرده‌ایم. قبلا آب مایع در این سیستم به‌عنوان رسانای یون نیز عمل می‌کرد و اکنون به‌جای آن از غشاهای تبادل یونی برای کمک به حرکت یون‌ها بدون نیاز به آب مایع استفاده می‌کنیم. نتیجه این است که ما می‌توانیم تراکم جریان بیشتری داشته باشیم. قبلا ما روی حدود ۱۰ میلی‌آمپر در سانتی‌متر مربع کار می‌کردیم؛ ولی اکنون به‌راحتی می‌توانیم جریان را به ۱۰۰ میلی‌آمپر افزایش دهیم.

وانگ و همکارانش در حال پژوهش روی چندین کاتالیروز مبتنی بر مس هستند که بتوانند کربن‌دی‌اکسید را به محصولاتی ارزشمندتر، احیا کنند

این سیستم در حال پیشرفت است و هنوز چالش‌هایی به‌خصوص از نظر بحث ثبات سیستم وجود دارد. او گفت:

اگر می‌خواهید از این سیستم در یک فعالیت اقتصادی یا محیطی بهره ببرید، لازم است که این عملیات برای هزاران ساعت به‌طور پیوسته در حال انجام باشد. اکنون ما فقط می‌توانیم این کار را برای ده‌ها ساعت ادامه دهیم و هنوز فاصله‌ی بزرگی تا رسیدن به آن وضعیت وجود دارد؛ اما من معتقدم این مشکل‌ها با تجزیه‌و‌تحلیل دقیق‌تر کربن‌دی‌اکسید، کاتالیزور احیا و کاتالیزور اکسیداسیون آب می‌تواند برطرف شود. ممکن است روزی برسد که صنعت بتواند کربن‌دی‌اکسیدی که اکنون در اتمسفر منتشر می‌شود را بگیرد و آن را به محصولات مفیدی تبدیل کند.

کربن‌مونوکسید یک محصول شیمیایی چندان با ارزش نیست. برای بررسی فرصت‌های بیشتر این گروه پژوهشی قصد دارد روی چندین کاتالیزور مبتنی بر مس که بتوانند کربن‌دی‌اکسید را به مواد با ارزش‌تر احیا کنند، کار کند.