کرمان رصد - ایرنا / پژوهشگران مرکز هلمهولتز برلین (HZB) و همکاران بین‌المللی آن‌ها با بررسی دقیق نقش اندازه و تراکم نانوذرات نقره در یک فرایند الکتروشیمیایی، به ترکیبی دست یافته‌اند که می‌تواند تبدیل دی‌اکسیدکربن (CO₂) به مونوکسیدکربن (CO) را بهبود دهد.
نتایج نشان می‌دهد نانوذرات نقره با قطر حدود ۱۰ نانومتر، هنگامی که به‌صورت نسبتاً پراکنده روی یک بستر کربنی قرار می‌گیرند، بهترین عملکرد را به‌عنوان کاتالیست الکتروشیمیایی دارند. پژوهشگران همچنین با تغییر واکنش شیمیایی در بخش آندی سلول، توانسته‌اند مصرف انرژی فرایند را بیش از ۳۰ درصد کاهش دهند و هم‌زمان امکان تولید هیدروژن و اسید فرمیک را فراهم کنند.
تبدیل دی‌اکسیدکربن به مواد شیمیایی باارزش یکی از رویکردهایی است که در سال‌های اخیر برای کاهش انتشار این گاز گلخانه‌ای و حرکت به سمت اقتصاد کربن‌چرخشی مورد توجه قرار گرفته است. در این روش، به جای آنکه CO₂ پس از تولید مستقیماً وارد جو شود، می‌توان آن را با استفاده از انرژی الکتریکی به ترکیبات دیگری تبدیل کرد و دوباره به‌عنوان ماده اولیه در صنایع شیمیایی و تولید سوخت به کار گرفت.
در پروژه بین‌المللی GreenQUEST، یک تیم تحقیقاتی به سرپرستی پراشانث منِزِس، شیمی‌دان مرکز هلمهولتز برلین، به‌طور نظام‌مند عملکرد لایه‌های کاتالیستی ساخته‌شده از نانوذرات نقره را بررسی کرده است. هدف اصلی این پژوهش، یافتن شرایطی بود که در آن بتوان با مصرف انرژی و هزینه کمتر، CO₂ را به CO تبدیل کرد.
مونوکسیدکربن تولیدشده در این فرایند یک ماده اولیه مهم برای تولید ترکیبات شیمیایی و سوخت‌ها محسوب می‌شود. هنگامی که CO در مراحل بعدی در کنار هیدروژن تولیدشده از فرایندهای الکتروشیمیایی قرار می‌گیرد، می‌تواند در تشکیل گاز سنتز یا سین‌گاز نقش داشته باشد. سین‌گاز نیز در ادامه برای تولید دی‌متیل اتر یا DME به کار می‌رود و این ماده می‌تواند سپس به‌صورت کاتالیستی به سوخت گاز مایع سبز یا green-LPG تبدیل شود که عمدتاً از پروپان و بوتان تشکیل شده است.
در صورتی که برق مورد استفاده برای انجام فرایند الکترولیز از منابع تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی یا باد تأمین شود، این چرخه می‌تواند به بازیافت CO₂ و کاهش وابستگی به منابع فسیلی کمک کند. به همین دلیل، توسعه کاتالیست‌هایی که بتوانند این فرایند را با بازده بالاتر و مصرف انرژی کمتر انجام دهند، اهمیت ویژه‌ای دارد.
در این مطالعه، پژوهشگران تمرکز خود را بر نانوذرات نقره قرار دادند. این ذرات در کنار یک پودر کربنی رسانا روی الکترود قرار گرفتند و اندازه و تراکم آن‌ها به‌صورت کنترل‌شده تغییر داده شد. نتایج نشان داد که اندازه نانوذرات نقش تعیین‌کننده‌ای در میزان تولید مونوکسیدکربن دارد.
پژوهشگران پیش از این می‌دانستند که کوچک‌کردن بیش از حد ذرات نقره لزوماً به افزایش عملکرد منجر نمی‌شود. نانوذرات بسیار کوچک تمایل بیشتری به انجام واکنش تولید هیدروژن دارند و این موضوع می‌تواند سهم واکنش موردنظر برای تولید مونوکسیدکربن را کاهش دهد. از سوی دیگر، نانوذرات بسیار بزرگ نیز از نظر کاتالیستی فعالیت کمتری دارند.
بنابراین، مسئله اصلی پیدا کردن نقطه بهینه میان این دو وضعیت بود. نتایج پژوهش نشان داد که نانوذرات نقره با قطر حدود ۱۰ نانومتر، زمانی که به‌صورت نسبتاً پراکنده روی ماده کربنی قرار گرفته باشند، بهترین عملکرد را دارند. مقدار بهینه گزارش‌شده برای نقره حدود ۰٫۲ میلی‌گرم به ازای هر سانتی‌متر مربع از سطح الکترود بود.
تصاویر به‌دست‌آمده با استفاده از میکروسکوپ الکترونی عبوری (TEM) نیز برای بررسی ساختار و اندازه این نانوذرات مورد استفاده قرار گرفتند. در ترکیب بهینه، حدود ۲۰ درصد جرمی از ماده کاتالیستی را نقره و ۸۰ درصد را پودر کربنی رسانا تشکیل می‌داد.
اهمیت این یافته در آن است که افزایش مقدار نقره یا کوچک‌ترکردن ذرات الزاماً به معنای عملکرد بهتر نیست. نحوه توزیع نانوذرات و اندازه دقیق آن‌ها می‌تواند تعیین کند که کدام واکنش شیمیایی روی سطح کاتالیست غالب شود. در این پژوهش، ترکیب مشخصی از اندازه و تراکم نانوذرات توانست شرایط مناسب‌تری برای تبدیل CO₂ به CO فراهم کند.
پژوهشگران در گام بعدی، واکنش بخش دیگر سلول الکتروشیمیایی، یعنی آند، را نیز تغییر دادند. در فرایندهای متداول، هنگامی که CO₂ در کاتد به CO تبدیل می‌شود، در آند معمولاً واکنش تولید اکسیژن اتفاق می‌افتد. این واکنش انرژی الکتریکی قابل‌توجهی مصرف می‌کند و محصول اصلی آن نیز اکسیژن است که در این فرایند ارزش اقتصادی محدودی دارد.
تیم تحقیقاتی با افزودن ترکیباتی از خانواده آلدهیدها به الکترولیت، واکنش تولید اکسیژن را با واکنش اکسایش آلدهید جایگزین کرد. این تغییر توانست مصرف انرژی کل فرایند را بیش از ۳۰ درصد کاهش دهد. علاوه بر کاهش مصرف برق، این رویکرد باعث شد به جای تولید صرف اکسیژن، محصولات ارزشمند دیگری مانند هیدروژن و اسیدهای کربوکسیلیک از جمله اسید فرمیک نیز تولید شوند.
در چنین ساختاری، کاتد وظیفه تبدیل دی‌اکسیدکربن به مونوکسیدکربن را بر عهده دارد، در حالی که در سمت آند، فرمالدهید به اسید فرمیک اکسید می‌شود. هیدروژن نیز به‌عنوان یکی دیگر از محصولات فرایند تولید می‌شود و یک غشای جداکننده، دو بخش سلول الکتروشیمیایی را از یکدیگر تفکیک می‌کند.
این طراحی به معنای آن است که یک سلول الکتروشیمیایی می‌تواند به‌طور هم‌زمان چند محصول با ارزش تولید کند. چنین رویکردی از منظر اقتصادی اهمیت دارد، زیرا هزینه انرژی تنها یکی از عوامل تعیین‌کننده در امکان‌پذیری صنعتی فرایندهای الکتروشیمیایی است و تولید هم‌زمان چند ماده قابل‌استفاده می‌تواند ارزش کلی سامانه را افزایش دهد.
عملکرد کاتالیست بهینه‌شده نیز در آزمایش‌های طولانی‌مدت بررسی شد. نانوذرات نقره در شرایط بهینه توانستند طی بیش از ۱۰۰ ساعت، بازده فارادایی نزدیک به ۱۰۰ درصد برای تولید مونوکسیدکربن نشان دهند. بازده فارادایی معیاری برای سنجش میزان استفاده مؤثر از جریان الکتریکی در تولید محصول موردنظر است.
پژوهشگران همچنین با استفاده از طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس، ساختار الکترونیکی و شیمیایی ذرات نقره را بررسی کردند. نتایج این بررسی‌ها نشان داد که ساختار فعال نانوذرات در طول فرایند تا حد زیادی پایدار باقی می‌ماند. پایداری کاتالیست یکی از عوامل مهم برای استفاده بلندمدت از چنین سامانه‌هایی است.
پراشانث منِزِس، سرپرست این پژوهش، معتقد است ترکیب تولید مونوکسیدکربن با تولید هم‌زمان هیدروژن و مواد شیمیایی ارزشمند دیگری مانند اسید فرمیک می‌تواند ارزش کلی فرایند الکتروشیمیایی را افزایش دهد. به گفته او، CO و هیدروژن تولیدشده می‌توانند در مراحل بعدی به‌عنوان مواد اولیه برای ساخت سوخت‌ها و مواد شیمیایی پایدار مورد استفاده قرار گیرند.
این پژوهش در چارچوب پروژه GreenQUEST و با همکاری مرکز هلمهولتز برلین و مؤسسات شریک در آفریقای جنوبی انجام شده است. هدف گسترده‌تر این همکاری، توسعه یک سوخت سبز، مقرون‌به‌صرفه و پایدار برای پخت‌وپز است؛ سوختی که بتواند به‌عنوان جایگزینی پاک‌تر برای سوخت‌های زیست‌توده‌ای سنتی مورد استفاده قرار گیرد.
این هدف به‌ویژه برای مناطق روستایی آفریقای جنوبی اهمیت دارد؛ مناطقی که در آن‌ها هیزم همچنان یکی از منابع اصلی انرژی مورد استفاده خانوارها برای پخت‌وپز است. تولید سوخت مایع گازی سبز از مسیر بازیافت CO₂ و استفاده از انرژی تجدیدپذیر می‌تواند در صورت توسعه صنعتی، گزینه‌ای برای کاهش وابستگی به زیست‌توده و کاهش آثار زیست‌محیطی سوخت‌های سنتی باشد.
نتایج این پژوهش در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده است. یافته‌های مطالعه نشان می‌دهد که حتی تغییرات به‌ظاهر کوچک در اندازه و تراکم نانوذرات کاتالیستی می‌تواند تأثیر قابل‌توجهی بر عملکرد یک سامانه تبدیل CO₂ داشته باشد. ترکیب نانوذرات نقره با اندازه حدود ۱۰ نانومتر، طراحی هوشمندانه واکنش آندی و استفاده از انرژی‌های تجدیدپذیر، چشم‌اندازی برای توسعه فرایندهایی فراهم می‌کند که در آن دی‌اکسیدکربن نه فقط یک گاز گلخانه‌ای، بلکه ماده اولیه‌ای برای تولید سوخت و مواد شیمیایی با ارزش باشد.