حقق باحثون من جامعة طوكيو متروبوليتان تقدمًا كبيرًا في تحقيق التحويل الصناعي لمحلول البيكربونات المصنوع من الكربون الملتقط إلى محلول فورمات، وهو وقود أخضر.
وتتغلب الخلية الكهروكيميائية الجديدة، التي تحتوي على طبقة غشائية مسامية بين الأقطاب الكهربائية، على مشكلات رئيسية تعاني منها تقنيات التقاط الكربون التفاعلي (RCC) وتحقق أداءً ينافس الأساليب التي تعتمد على الغاز وتستهلك الكثير من الطاقة.
وتضيف العمليات مثل عملياتهم قيمة مباشرة إلى مجاري النفايات وهي مفتاح لتحقيق انبعاثات صفرية صافية.
تشكل تقنية احتجاز الكربون جزءاً كبيراً من الاستراتيجية العالمية الرامية إلى الحد من الانبعاثات ومكافحة تغير المناخ.
ولكن السؤال المهم حول ما الذي يمكننا أن نفعله بثاني أكسيد الكربون المحتجز يظل تحدياً مفتوحاً.
فهل نكتفي بدفنه تحت الأرض، أم أن الأمر يتطلب أكثر من ذلك؟ يعتقد العلماء ذلك بكل تأكيد. وباستخدام أحدث المحفزات والعمليات الكيميائية، يجري العمل حالياً لمحاولة تحويل المنتج المحتجز إلى شيء أكثر فائدة للمجتمع.
ومن التطبيقات الجذابة بشكل خاص تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود صديق للبيئة.
وقد تم تطوير تقنية لاستخدام الخلايا الكهروكيميائية لتقليص ثاني أكسيد الكربون إلى مركب فورمات، والذي يمكن استخدامه في خلايا وقود فورمات لتوليد الطاقة.
عقبة كبيرة
ولكن هناك عقبة كبيرة تتمثل في الحاجة إلى ثاني أكسيد الكربون النقي: إذ إن الضغط على ثاني أكسيد الكربون قد يستهلك قدراً كبيراً من الطاقة، ولا يتم تحويل الغاز بكفاءة عالية، ولا تدوم الخلايا طويلاً.
وهنا يأتي دور التقاط الكربون التفاعلي، حيث يمكن استخدام ثاني أكسيد الكربون المذاب في المحاليل القلوية، مثل محاليل البيكربونات، بشكل مباشر لإنشاء أيونات الفورمات دون الخسائر المرتبطة بتوفير الغاز النقي.
التحدي الرئيسي الذي يواجه الباحثين هنا هو تصميم خلية كهروكيميائية أفضل يمكنها إنتاج أيونات الفورمات بشكل انتقائي من أيونات البيكربونات دون خسارة التفاعلات الجانبية، مثل إنتاج الهيدروجين.
الآن، نجح فريق من الباحثين بقيادة البروفيسور فومياكي أمانو من جامعة طوكيو متروبوليتان في إنشاء خلية جديدة تتمتع بانتقائية ممتازة لتحويل أيونات البيكربونات إلى أيونات فورمات.
وفي الخلية الجديدة، يتم فصل الأقطاب الكهربائية المصنوعة من مادة محفزة عن غشاء إلكتروليت بوليمر بواسطة غشاء مسامي مصنوع من إستر السليلوز.
تمر أيونات الهيدروجين التي يتم إنتاجها عند أحد الأقطاب عبر غشاء الإلكتروليت وتصل إلى الطبقة المسامية، حيث تتفاعل مع أيونات البيكربونات لإنتاج ثاني أكسيد الكربون بكفاءة في المسام.
ثم يتحول الغاز إلى أيونات فورمات عند القطب الآخر، والذي يكون أيضًا على اتصال بالغشاء المسامي.
وعندما بدأوا في تشغيل الخلية، وجدوا أن كفاءة الفارادا، وهي نسبة الإلكترونات التي يتم تحويلها إلى فورمات بدلاً من المركبات الأخرى، كانت 85%، حتى مع التيارات العالية جدًا.
تعمل بسلاسة لأكثر من 30 ساعة
ولا يتفوق هذا على التصميمات الحالية فحسب، بل وجد أن الخلية تعمل بسلاسة لأكثر من 30 ساعة وتحقق تحويلًا شبه كامل للبيكربونات إلى فورمات.
وبمجرد إزالة الماء، كل ما يتبقى هو وقود فورمات صلب ومتبلور.
ونظراً للطلب المتزايد على تكنولوجيا تغير المناخ، فإن التحسينات مثل هذه لتحسين كفاءة تشغيل الخلايا الكهروكيميائية من المتوقع أن تحدث تأثيراً كبيراً.
ويأمل الفريق أن يكون جهاز التحليل الكهربائي الجديد الذي ابتكروه باستخدام البيكربونات خياراً قابلاً للتطبيق للمجتمع في سعيه نحو التحول الأخضر.