طريقة جديدة وسهلة لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود ومواد كيميائية مفيدة

اكتشف فريق من الباحثين في جامعة رايس طريقة بسيطة ومذهلة لتحسين استقرار الأجهزة الكهروكيميائية التي تحوّل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود ومواد كيميائية مفيدة، وذلك بتمريره ببساطة في فقاعات حمضية.

نشرت الدراسة في مجلة ساينس، وتتناول واحدة من أكبر العوائق في أنظمة اختزال غاز ثاني أكسيد الكربون: تراكم الأملاح التي تسد قنوات تدفق الغاز، وتقلل من الكفاءة، وتسبب تعطل الأجهزة قبل أوانها.

باستخدام تقنية ثاني أكسيد الكربون المُرطَّب بالحمض، تمكن الباحثون من إطالة عمر التشغيل الفعلي لنظام اختزال ثاني أكسيد الكربون أكثر من خمسين ضعفًا، إذ حققوا أكثر من 4500 ساعة تشغيل مستقر في مفاعل موسع، وهو إنجاز كبير في هذا المجال.

تقنية تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائية (CO₂RR) هي تقنية خضراء ناشئة تستخدم الكهرباء، ويفضل أن تكون من مصادر متجددة، لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى منتجات ذات قيمة مثل أول أكسيد الكربون أو الإيثيلين أو الكحوليات، ما يمكن تحويله لاحقًا إلى وقود أو استخدامها في العمليات الصناعية.

لكن التطبيق العملي لهذه التقنية عانى طويلًا من ضعف الاستقرار، لأن تراكم أملاح بيكربونات البوتاسيوم في قنوات تدفق الغاز يؤدي إلى انسدادها وتعطل الأداء بسرعة.

مع ذلك، فإن التطبيق العملي ظل معوقًا بسبب ضعف استقرار النظام. توجد مشكلة مستمرة تتمثل في تراكم أملاح بيكربونات البوتاسيوم في قنوات تدفق الغاز، التي تحدث عندما تتحرك أيونات البوتاسيوم من محلول الأنوليت عبر غشاء تبادل الأنيونات إلى منطقة تفاعل الكاثود، إذ تتحد مع ثاني أكسيد الكربون في ظل ظروف ذات درجة أس هيدروجيني مرتفعة.

«ترسيب الأملاح يعيق نقل ثاني أكسيد الكربون ويُغرق قطب انتشار الغاز، ما يؤدي في النهاية إلى فشل الأداء. يحدث هذا عادةً في بضع مئات من الساعات، وهذا يُعد بعيدًا جدًا عن الجدوى التجارية».

لمواجهة هذه المشكلة، جرّب فريق جامعة رايس تعديلًا بسيطًا وأنيقًا على إجراء تقليدي، فبدلًا من استخدام الماء لترطيب غاز ثاني أكسيد الكربون الداخل إلى المفاعل، مرروا الغاز عبر محلول حمضي مثل حمض الهيدروكلوريك أو حمض الفورميك أو حمض الأسيتيك.

تحمل أبخرة الحمض إلى حجرة التفاعل عند الكاثود بكميات ضئيلة، تكفي فقط لتغيير الكيمياء المحلية. ولما كانت الأملاح المتكونة مع هذه الأحماض أكثر ذوبانية بكثير من بيكربونات البوتاسيوم، فإنها لا تتبلور ولا تسد القنوات.

كان التأثير ملحوظًا، ففي اختبارات استخدمت محفز الفضة، وهو معيار شائع لتحويل ثاني أكسيد الكربون إلى أول أكسيد الكربون. عمل النظام باستقرار لأكثر من ألفي ساعة في جهاز صغير في مقاييس المختبر، ولأكثر من 4500 ساعة في جهاز تحليل كهربي موسع بمساحة مئة سنتيمتر مربع.

بالمقابل، فشلت الأنظمة التي استخدمت ثاني أكسيد الكربون المرطّب بالماء التقليدي بعد نحو 80 ساعة فقط بسبب تراكم الأملاح.

من المهم أن الطريقة المعتمدة على ترطيب الغاز بالأحماض أثبتت فعاليتها مع عدة أنواع من المحفزات، متضمنةً أكسيد الزنك وأكسيد النحاس وأكسيد البزموت، وكلها تُستخدم لاستهداف منتجات مختلفة من تفاعلات اختزال ثاني أكسيد الكربون. أظهر الباحثون أن هذه الطريقة يمكن توسيع نطاقها دون التأثير في الأداء، إذ حافظت الأجهزة كبيرة الحجم على كفاءتها وتجنبت انسداد الأملاح لفترات تشغيل طويلة.

لاحظ الفريق حدوث تآكل أو تلف طفيف فقط في أغشية تبادل الأيونات السالبة، التي تكون عادةً حساسة تجاه الكلوريد، بفضل الحفاظ على تركيزات منخفضة من الأحماض. تبيّن أن هذه الطريقة متوافقة مع الأغشية والمواد شائعة الاستخدام. ما يعزز من إمكانية دمجها في الأنظمة الحالية دون الحاجة إلى تعديلات كبيرة.

لمراقبة تكوّن الأملاح في الوقت الفعلي، استخدم الفريق مفاعلات مصممة خصيصى، مزودة بألواح شفافة لتدفق الغاز. في ظل الترطيب التقليدي باستخدام الماء، بدأت بلورات الأملاح بالتشكل في غضون 48 ساعة فقط. أما مع ثاني أكسيد الكربون المرطّب بالأحماض، فلم تُلاحظ أي تراكمات بلورية كبيرة حتى بعد مئات الساعات من التشغيل، وأي رواسب صغيرة ظهرت كانت تذوب تدريجيًا ويُتخلص منها خارج النظام.

يفتح هذا العمل الباب أمام أجهزة تحليل كهربائي لثاني أكسيد الكربون أمتن وقابلة للتوسع، وهي ضرورية إذا كان من المقرر تطبيق هذه التقنية على نطاق صناعي جزءًا من إستراتيجيات التقاط الكربون واستخدامه.

تعني بساطة هذه الطريقة، التي تتضمن فقط تعديلات طفيفة على إعدادات الترطيب الحالية، أنه يمكن اعتمادها دون الحاجة إلى إعادة تصميم كبيرة أو تكاليف إضافية.