افزایش ۵۰ برابری دوام راکتورهای CO₂ با یک ترفند ساده اسیدی
پژوهشگران دانشگاه رایس آمریکا موفق شدهاند با بهکارگیری راهکاری ساده، پایداری سامانههای الکتروشیمیایی تبدیل دیاکسید کربن به سوختها و مواد شیمیایی مفید را بهطور چشمگیری افزایش دهند. این گروه علمی با عبور گاز CO₂ از محلول اسیدی پیش از ورود به راکتور، توانستند یکی از چالشهای اصلی این سامانهها یعنی رسوب نمک در مجاری گاز را بهطور کامل برطرف کنند.
این پژوهش که نتایج آن در نشریه معتبر Science منتشر شده، نشان میدهد استفاده از CO₂ مرطوبشده با بخار اسید (acid-humidified CO₂) میتواند عمر مفید سیستم را بیش از ۵۰ برابر افزایش دهد. در آزمایشها، راکتور مقیاسبالا با این روش توانست بیش از ۴۵۰۰ ساعت عملکرد پایدار داشته باشد؛ موفقیتی مهم برای تجاریسازی این فناوری.
تبدیل CO₂ به محصولات مفید با انرژی تجدیدپذیر
فناوری کاهش الکتروشیمیایی دیاکسید کربن (CO₂RR) یکی از فناوریهای نوظهور سبز بهشمار میرود که با استفاده از برق، بهویژه برق حاصل از منابع تجدیدپذیر، گاز گلخانهای CO₂ را به موادی، چون منوکسید کربن، اتیلن و الکلها تبدیل میکند. این ترکیبات قابلیت استفاده در صنایع مختلف یا تولید سوخت را دارند و در نتیجه میتوانند به کاهش اثرات مخرب زیستمحیطی کمک کنند.
با این حال، یک مانع جدی بر سر راه توسعه تجاری این فناوری، نابسامانی در پایداری سامانههاست. یکی از دلایل اصلی این مشکل، تشکیل نمک بیکربنات پتاسیم (KHCO₃) در مجاری گاز است. این پدیده زمانی رخ میدهد که یونهای پتاسیم از سمت آند از طریق غشای تبادل آنیونی به ناحیه کاتدی منتقل میشوند و در شرایط قلیایی بالا با CO₂ ترکیب میشوند.
هائوتیان وانگ، استاد مهندسی شیمی و علوم مواد در دانشگاه رایس و نویسنده مسئول این مقاله میگوید: «رسوب نمک باعث مسدود شدن جریان CO₂ و آبگرفتگی در الکترود انتشار گاز میشود و این در نهایت منجر به شکست عملکردی سیستم میگردد. این اتفاق معمولاً ظرف چند صد ساعت رخ میدهد، که فاصله زیادی تا الزامات تجاری دارد.»
بخار اسیدی؛ راهحلی ساده برای مسالهای پیچیده
در روش ابداعی تیم دانشگاه رایس، به جای رطوبتدهی گاز CO₂ با آب، از محلولهای اسیدی مانند هیدروکلریک اسید، اسید فرمیک یا استیک اسید استفاده شد. این اسیدها در غلظتهای پایین به شکل بخار وارد محفظه کاتدی راکتور میشوند.
حضور بخار اسید در حد ناچیز، اما مؤثر، موجب تغییر در شیمی محلی واکنش میشود. از آنجا که نمکهای حاصل از واکنش این اسیدها با یون پتاسیم محلولتر از بیکربنات پتاسیم هستند، از رسوبگذاری و انسداد مجاری جلوگیری میشود.
آزمایشها با استفاده از کاتالیزور نقره (silver catalyst) که بهطور رایج برای تولید منوکسید کربن از CO₂ بهکار میرود، نشان داد که این سامانه میتواند بیش از ۲۰۰۰ ساعت در مقیاس آزمایشگاهی و بیش از ۴۵۰۰ ساعت در مقیاس صنعتی (۱۰۰ سانتیمتر مربع) عملکرد پایدار داشته باشد. این در حالیست که سامانههای معمولی با CO₂ مرطوبشده با آب، پس از حدود ۸۰ ساعت بهعلت رسوب نمک از کار میافتند.
سازگاری گسترده با کاتالیزورها و مواد مختلف
از نقاط قوت مهم این روش، سازگاری با انواع مختلف کاتالیزورهاست؛ از جمله اکسید روی، اکسید مس و اکسید بیسموت که هرکدام در تولید محصولات خاصی از CO₂RR کاربرد دارند.
علاوه بر این، روش جدید با انواع غشاهای تبادل آنیونی که به کلر حساس هستند، نیز همخوانی دارد؛ زیرا بخار اسید در غلظتهای بسیار پایین استفاده میشود و خوردگی یا آسیب قابلتوجهی به غشاها وارد نمیشود.
برای رصد روند رسوبگذاری نمک در زمان واقعی، پژوهشگران از راکتورهای شفاف سفارشیسازیشده استفاده کردند. در شرایط مرطوبسازی با آب، کریستالهای نمک ظرف ۴۸ ساعت شروع به تشکیل کردند، اما در شرایط استفاده از بخار اسید، حتی پس از صدها ساعت هیچ تجمع قابلتوجهی از نمک دیده نشد و هر گونه رسوب کوچک نیز بهمرور حل شده و از سیستم خارج شد.
گامی بزرگ برای دوام و تجاریسازی فناوری تبدیل CO₂
این پژوهش گامی مهم برای توسعه راکتورهای الکترولیزور CO₂ پایدار و مقیاسپذیر بهشمار میرود. موضوعی که برای استفاده صنعتی و گسترده از فناوریهای جذب و تبدیل کربن بسیار حیاتی است.
احمد الگزار، نویسنده همکار مقاله و دانشجوی کارشناسیارشد دانشگاه رایس میگوید: «روش ما با هزینه کم و تغییرات بسیار جزئی در سامانههای موجود، یکی از موانع قدیمی فناوری CO₂RR را برطرف میکند. این یک گام اساسی در جهت تجاریسازی و پایداری بیشتر این فناوریهاست.»
انتهای پیام/
