استفاده از فتوسنتز مصنوعی جهت تولید اتیلن

یک تیم از دانشمندان دانشگاه ملی سنگاپور دستگاهی توسعه داده‌اند که مانند فتوسنتز طبیعی، از نور خورشید، آب و دی‌اکسید کربن جهت تولید گاز اتیلن استفاده می‌کند. این روش جدید که فرایند تولید اتیلن در دمای اتاق و مواد شیمیایی پایه انجام می‌شود، در صورت توسعه می‌تواند به‌عنوان یک روش پایدار و سازگار با محیط زیست جهت جایگزینی با روش‌های مرسوم و قدیمی مورد استفاده قرار گیرد.

 چالش‌های حال حاضر تولید اتیلن

اتیلن که مونومر و واحد‌ تشکیل‌دهنده پلی‌اتیلن است، در صنایع پلاستیک، لاستیک و فیبر به‌طور گسترده و در مقادیر بسیار زیاد به‌عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود. در سال ۲۰۱۵ بالغ بر ۱۷۰ میلیون تن اتیلن در جهان تولید شده است و انتظار می‌رود که به‌ دلیل افزایش تقاضا، این میزان تولید به بیش از ۲۲۰ میلیون تن در سال ۲۰۲۰ برسد.

روش‌های مرسوم صنعتی جهت تولید اتیلن از طریق کراکینگ با بخار آب در دمای بین ۷۵۰ تا ۹۵۰ درجه‌ی سانتی‌گراد روی سوخت‌های فسیلی انجام می‌شود که این فرایندها، به منابع بسیار زیاد انرژی نیاز دارد. در این روش نوین، از هر ۲ تن دی‌اکسید کربنی که در هوا منتشر شده است، می‌توان برای تولید یک تن اتیلن استفاده کرد. در نتیجه‌ی این ابداع، علاوه بر اینکه روشی پاک و بدون آلودگی است، تولید اتیلن بسیار پایدار خواهد بود و نیازی به تأمین سوخت فسیلی نیست.

استفاده از فتوسنتز مصنوعی

با هدف استفاده از انرژی‌های تجدید‌پذیر در تولید اتیلن، تیم پروفسور Yeo از دانشگاه ملی سنگاپور برای اولین بار در سال ۲۰۱۵، کاتالیزور مس را طراحی کردند که می‌توانست اتیلن را با کمک جریان الکتریکی از آب و دی‌اکسید کربن تولید کند. این کاتالیزور مس، متعاقبا در سیستم فتوسنتز مصنوعی جهت تولید اتیلن از آب و دی‌اکسید کربن با استفاده از انرژی خورشید مورد بهره‌بردای قرار گرفت. نمونه‌ی اولیه این دستگاه، جهت واکنش الکتروشیمیایی به بازده فارادی ۳۰ درصدی جهت تولید اتیلن از طریق نور خورشید دست پیدا کرد که این میزان از بازده انرژی، برای این سیستم تا حدود زیادی مطابق با میزان بازده انرژی فتوسنتز طبیعی در گیاهان است.

افزایش بسیار زیاد غلظت دی‌اکسید کربن در اتمسفر به این دلیل بوده که میزان انتشار دی‌اکسید کربن ناشی از فعالیت‌های انسانی بیش از میزانی است که بتواند توسط گیاهان و جنگل‌ها در سرتاسر دنیا به جذب شود. این فرایند افزایش نشر دی‌اکسید کربن در هوا، منجر به گرمایش جهانی و تغییرات ناخواسته زیست‌محیطی شده است و در نتیجه‌، به‌ دام انداختن دی‌اکسید کربن یکی از روش‌های کلیدی جهت مقابله با تغییرات آب‌وهوایی ناشی از فعالیت انسانی خواهد بود. این روش ابداع‌شده نه‌تنها به‌طور کامل از انرژی تجدید‌پذیر استفاده می‌کند، حتی در کاهش گازهای گلخانه‌ای و مصرف دی‌اکسید کربن جهت تولید یک ماده دیگر کمک می‌کند.

این تیم حتی فراتر از یک فتوسنتز طبیعی گام برداشتند و با اضافه کردن باتری جهت ذخیره انرژی مازاد خورشید در طول روز، فرایند فتوسنتز مصنوعی در شرایط کم‌نور یا کاملا تاریک متوقف نخواهد شد. این کار باعث می‌شود که تولید اتیلن کاملا پایدار و بدون توقف باشد و مشکلی در عملکرد سیستم ایجاد نکند. حتی در صورتی که چندین روز تأمین انرژی از نور خورشید با مشکل مواجه شود، این باتری‌های جانبی می‌توانند به فعالیت خود ادامه بدهند.

این ابداع می‌تواند نقطه‌ی عطفی باشد که در آینده با کمک فتوسنتز‌های مصنوعی از طریق جذب دی‌اکسید کربن، بتوان انواع ترکیبات آلی مانند پلی‌اتیلن را تولید کرد. پژوهشگران با توسعه چنین سیستمی، می‌خواهند تولید سوخت‌های مایع مانند اتانول و پروپانول را در دستور کار خود قرار دهند.