افزایش تولید مونوکسیدکربن از دیاکسیدکربن با نانوذرات نقره
پژوهشگران با بررسی اندازه و تراکم نانوذرات نقره در لایههای کاتالیستی نشان دادهاند که استفاده از نانوذرات نقره با قطر حدود ۱۰ نانومتر و توزیع نسبتا پراکنده میتواند بازده تبدیل دیاکسیدکربن (CO₂) به مونوکسیدکربن (CO) را افزایش دهد. این تیم همچنین با جایگزین کردن یک واکنش شیمیایی در آند موفق شده است مصرف انرژی فرایند الکترولیز را بیش از ۳۰ درصد کاهش دهد.
به گزارش گروه ترجمه خبرگزاری برنا به نقل از فیزیکس او آر جی، الکترولیز یکی از روشهایی است که میتوان از طریق آن دیاکسیدکربن را با استفاده از انرژی الکتریکی به مونوکسیدکربن تبدیل کرد. مونوکسیدکربن تولیدشده در ادامه میتواند همراه با هیدروژن حاصل از فرایندهای الکتروشیمیایی ماده اولیه تولید گاز سنتز یا Syngas باشد. این گاز سپس میتواند برای تولید دیمتیل اتر (DME) و در مراحل بعد برای تولید سوخت گازی مایع سبز یا green-LFG (gLFG) مورد استفاده قرار گیرد.
این پژوهش در چارچوب پروژه GreenQUEST و با همکاری یک تیم بینالمللی به سرپرستی پراشانت منزس، شیمیدان مرکز تحقیقات هلمهولتز برلین انجام شده است. پژوهشگران HZB در این پروژه با موسسات همکار در آفریقای جنوبی همکاری میکنند و هدف آنها توسعه یک سوخت گازی سبز و مقرونبهصرفه برای پختوپز است؛ سوختی که بتواند جایگزین پاکتری برای سوختهای زیستتودهای سنتی بهویژه هیزم باشد.
اندازه نانوذرات نقره در بازده تولید CO موثر است
پژوهشگران برای افزایش کارایی و کاهش هزینه فرایند احیای الکتروشیمیایی دیاکسیدکربن، لایههای کاتالیستی متشکل از نانوذرات نقره را بهصورت سیستماتیک بررسی کردند. در این آزمایشها هم اندازه نانوذرات و هم تراکم آنها روی یک ماده پودری کربنی که سطح الکترود کربنی را میپوشاند تغییر داده شد.
نیکلاس هاوسمان یکی از نویسندگان این مطالعه درباره دلیل بررسی اندازههای مختلف نانوذرات گفت: نانوذرات بسیار کوچک واکنش تولید هیدروژن را افزایش میدهند و در نتیجه میزان تولید مونوکسیدکربن کاهش پیدا میکند؛ از سوی دیگر نانوذرات بیش از حد بزرگ نیز فعالیت کاتالیستی پایینتری دارند.
بررسیها نشان داد بهترین عملکرد مربوط به نانوذرات نقره با قطر حدود ۱۰ نانومتر است که بهصورت نسبتا پراکنده روی ماده کربنی توزیع شدهاند. تراکم بهینه این نانوذرات حدود ۰.۲ میلیگرم به ازای هر سانتیمتر مربع از سطح الکترود گزارش شده است.
واکنش در آند مصرف برق را بیش از ۳۰ درصد کاهش داد
پژوهشگران در مرحله بعد به بررسی واکنش رخداده در آند پرداختند. در فرایند معمول در حالی که دیاکسیدکربن در کاتد به مونوکسیدکربن تبدیل میشود در آند واکنش تولید اکسیژن رخ میدهد.
این واکنش به انرژی زیادی نیاز دارد و انرژی مورد نیاز آن باید از طریق برق تامین شود. علاوه بر این، محصول حاصل از آن یعنی اکسیژن در این فرایند ارزش اقتصادی قابل توجهی ندارد.
تیم پژوهشی نشان داد که میتوان با افزودن آلدهیدها به الکترولیت واکنش تولید اکسیژن را با یک واکنش اکسیداسیون آلدهید جایگزین کرد. این تغییر باعث میشود انرژی مورد نیاز کل فرایند بیش از ۳۰ درصد کاهش پیدا کند.
در این روش علاوه بر کاهش مصرف انرژی به جای اکسیژن، محصولات ارزشمندتری نیز تولید میشوند؛ از جمله گاز هیدروژن و اسیدهای کربوکسیلیک ارزشمندی مانند اسید فرمیک.
کاتالیست نقرهای بیش از ۱۰۰ ساعت پایدار ماند
کاتالیست بهینهشده مبتنی بر نانوذرات نقره در آزمایشها توانست طی بیش از ۱۰۰ ساعت، بازده فارادایی (Faradaic efficiency) نزدیک به ۱۰۰ درصد برای تولید مونوکسیدکربن داشته باشد.
بازده فارادایی معیاری برای سنجش میزان بهرهوری جریان الکتریکی در تولید یک محصول مشخص است و نزدیک بودن این مقدار به ۱۰۰ درصد نشان میدهد بخش بسیار زیادی از جریان الکتریکی صرف واکنش مورد نظر، یعنی تولید CO شده است.
پژوهشگران همچنین با استفاده از طیفسنجی فوتوالکترون پرتو ایکس (XPS) ساختار الکترونیکی و شیمیایی ذرات نقره فعال را بررسی کردند. نتایج نشان داد این ساختار در طول فعالیت کاتالیست تا حد زیادی پایدار باقی میماند.
تولید همزمان CO هیدروژن و اسید فرمیک
پراشانت منزس، سرپرست این پژوهش میگوید ترکیب تولید مونوکسیدکربن با تولید هیدروژن و همزمان تولید مواد شیمیایی با ارزش افزوده مانند اسید فرمیک میتواند ارزش اقتصادی کلی فرایند الکتروشیمیایی را افزایش دهد.
در این رویکرد مونوکسیدکربن و هیدروژن تولیدشده میتوانند بهعنوان مواد اولیه برای مراحل بعدی تولید سوختها و مواد شیمیایی پایدار مورد استفاده قرار گیرند.
در پروژه GreenQUEST هدف نهایی پژوهشگران استفاده از این فناوری برای تولید سوخت گازی مایع سبز است. در این فرایند، CO و H₂ تولیدشده از مسیرهای الکتروشیمیایی به گاز سنتز تبدیل میشوند و گاز سنتز نیز در ادامه برای تولید دیمتیل اتر (DME) به کار میرود. سپس DME از طریق فرایندهای کاتالیستی به سوخت گازی مایع سبز تبدیل میشود که عمدتاً از پروپان (C₃H₈) و بوتان (C₄H₁₀) تشکیل شده است.
اگر برق مورد استفاده در فرایند الکترولیز از منابع تجدیدپذیری مانند انرژی خورشیدی یا بادی تامین شود این فناوری میتواند از منظر چرخه کربن، به یک مسیر تولید سوخت با انتشار خالص بسیار پایین تبدیل شود؛ زیرا در آن دیاکسیدکربن بهعنوان ماده اولیه وارد فرایند شده و کربن آن دوباره در محصولات سوختی مورد استفاده قرار میگیرد.
پژوهشگران HZB و موسسات همکار در آفریقای جنوبی امیدوارند این فناوری در نهایت به تولید سوخت پاکتر و مقرونبهصرفهتر برای پختوپز کمک کند؛ موضوعی که بهویژه در مناطق روستایی آفریقای جنوبی اهمیت دارد، زیرا هیزم همچنان یکی از منابع اصلی انرژی خانوارها در این مناطق محسوب میشود.
انتهای پیام/
