ابتكر فريق بحثي من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا في الولايات المتحدة، تصميماً جديداً للأقطاب الكهروكيميائية المستخدمة في الأنظمة التي تحوّل ثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية عالية القيمة، بحسب ورقة بحثية نشرتها Nature Communications.

بحسب الورقة البحثية فإن التصميم الجديد يزيد كفاءة العملية بشكل كبير. 

وتقول الورقة إن التقنية الجديدة لا تقتصر فقط على إنتاج مواد مثل الإيثيلين، بل يمكن تطبيقها لإنتاج مواد أخرى مثل الميثان، والميثانول، وأول أكسيد الكربون، ما يجعل هذه التقنية متعددة الاستخدامات، وقابلة للتوسع في تطبيقات صناعية أوسع.

احتجاز ثاني أكسيد الكربون

والابتكار الجديد قد يُحدث نقلة نوعية في طرق احتجاز ثاني أكسيد الكربون، وتحويله إلى منتجات مفيدة. 

ويسعى العلماء إلى تحويل الغاز المسبب للاحتباس الحراري إلى مواد اقتصادية كوقود النقل، والمركبات الكيميائية، ومواد البناء، لكن التحدي الأكبر كان دائماً في تحقيق كفاءة اقتصادية لهذه العمليات.

يركز الابتكار الجديد على تطوير تقنية لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى إيثيلين، وهو مركب أساسي يُستخدم في صناعة البلاستيك والوقود، ويبلغ سعره الحالي حوالي 1000 دولار للطن. 

يتم التحويل باستخدام عملية كهروكيميائية تشمل محلولاً مائياً، ومواد محفّزة تتفاعل مع تيار كهربائي في جهاز يسمى "قطب انتشار الغاز".

تحديات وحلول

لكن التحدي يكمن في توفير طاقة كافية للحفاظ على فعالية التحويل دون زيادة التكاليف بشكل كبير.

لحل هذه المشكلة، لجأ فريق العلماء إلى استخدام مادة تسمى بولي تترافلورو إيثيلين PTFE، وهي مادة بلاستيكية معروفة بقدرتها العالية على طرد الماء، مما يمنع المحلول المائي المستخدم في العملية من التسرب إلى القطب، ويتيح للتفاعلات الكهروكيميائية الحدوث بشكل أكثر كفاءة.

تتميز تلك المادة بتركيبها الكيميائي الذي يحتوي على ذرات الفلور، مرتبطة بإحكام بسلسلة الكربون، مما يجعلها شديدة المقاومة للمواد الكيميائية، وغير قابلة للذوبان، كما يعطيها خصائص مقاومة للماء، لكنها غير موصلة للكهرباء، وهو أمر ضروري لتمرير التيار الكهربائي الذي يفعّل عملية التحويل.

للتغلب على هذا العائق، نسج الباحثون أسلاكاً نحاسية دقيقة داخل طبقة المادة، مما يخلق مسارات موصلة للإلكترونات عبر المادة. تعمل الأسلاك النحاسية كقنوات "سريعة" للتيار الكهربائي، مما يقلل من فقدان الجهد ويحسن كفاءة التفاعلات.

وبهذه الخطوة، تمكن العلماء من ابتكار قطب يجمع بين خصائص المادة المقاومة للماء، والموصلية العالية للنحاس، محققاً التوازن المطلوب لتحويل ثاني أكسيد الكربون بفعالية، وبتكلفة طاقة منخفضة، وهو أمر يمثل خطوة مهمة نحو تطوير أنظمة احتجاز وتحويل ثاني أكسيد الكربون بشكل عملي ومستدام.

واختبر الفريق كفاءة هذا الابتكار على نطاق واسع، مقارنة بالنماذج المختبرية الصغيرة التقليدية، حيث أنتجوا لوحاً كبيراً بعشر مرات من النماذج التقليدية وأثبت فعاليته.

أقصى كفاءة ممكنة

كما طوَّر الفريق نموذجاً يحدد المسافات المثلى بين الأسلاك النحاسية لضمان أقصى كفاءة ممكنة.

يؤكد المؤلف المشارك في البحث، سيمون روفر، وهو طالب دكتوراه بمعهد ماساتشوستس، أن "الأسلاك النحاسية الدقيقة يمكن دمجها في أي قطب انتشار غازي بغض النظر عن شكل المادة المحفزة، أو تركيبها الكيميائي"، مشيراً إلى أن هذه التقنية "تتيح توسعاً صناعياً كبيراً من دون التأثير على الكفاءة، ما يجعلها حلاً عملياً على نطاق واسع".

ونسج الفريق أسلاكاً نحاسية موصلة عبر هذه المادة لتوفير مسارات موصلة للإلكترونات، مما يسمح بحصول التفاعلات بشكل أكثر كفاءة، وبأقل قدر من الفاقد في الطاقة.

أدى هذا الحل البسيط إلى إنتاج قطب يجمع بين الموصلية العالية، وخصائص طرد الماء، محققاً توازناً ضرورياً لتحويل ثاني أكسيد الكربون بفعالية.