ابداع روشی پربازده در تبدیل CO2 به سوخت مایع

دانشمندان روش جدیدی را برای تبدیل دی‌‌اکسید کربن به سوخت مایع ابداع کرده‌‌اند که می‌‌تواند با بازدهی خوب، انرژی را در پیل‌‌های سوختی ذخیره‌‌سازی کند. این سوخت می‌‌تواند در آینده برای مقاصدی چون حمل‌‌ونقل پاک به‌‌کار رود. جالب اینکه سوخت جدید در حجم یکسان، ظرفیت انرژی بالا‌‌تری نسبت به هیدروژن خواهد داشت و از سوی دیگر، می‌‌تواند به‌‌عنوان یک ماده‌‌ی اولیه‌‌ی مهم در صنایع شیمیایی جهان مورداستفاده قرار گیرد.

در سال‌‌های اخیر، فناوری جدیدی براساس اسید فرمیک توانسته توجه کارشناسان را در ساخت نسل بعدی سلول‌‌های سوختی جلب کند. ذهنیت ما درباره‌‌ی ماده‌‌ای مانند اسید فرمیک معمولا به‌‌گونه‌‌ای نیست که بتوانیم آن را به‌‌عنوان سوخت آینده تصور کنیم. در واقع آنچه که به‌‌عنوان نیش زنبورها یا گزش دردناک مورچه‌‌ها می‌‌شناسیم، ناشی از همین اسید است. حال پژوهشگران با افزایش غلظت ماده مورد اشاره توانسته‌‌اند آن را به‌‌شکل مفیدتری درآورند.

دانشمندان دانشگاه رایس واقع در هوستون تگزاس، با بازنگری در کل فرایند تولید اسید فرمیک موفق شدند یک روش کاملا هوشمندانه در حذف برخی از مراحل غیرضروری ابداع کنند که درنتیجه افزایش بازدهی تولید این ماده را موجب می‌شود. هوتیان وانگ، شیمی‌‌دان درگیر در پروژه می‌‌گوید:

روش معمول برای جذب دی‌‌اکسید کربن بدین‌‌صورت است که آن را در یک الکترولیت مایع رایج نظیر آب نمک حل می‌‌کنند.

این نمک‌‌های محلول می‌‌توانند در تبدیل گاز CO2 به مولکول‌‌هایی با قابلیت ذخیره‌‌سازی انرژی مؤثر واقع شوند. اما وقتی فرایند تولید سوخت به پایان رسید، ما با یک محلول نمکی مواجه خواهیم شد که جداسازی اسید فرمیک از آن بسیار دشوار است. وانگ می‌‌افزاید:

بنابراین ما نوعی الکترولیت جامد را به‌‌کار گرفتیم که قادر به انتقال پروتون‌‌ها باشد و می‌‌تواند از پلیمرهای نامحلول و ترکیبات غیرارگانیک ساخته شود؛ بدون آنکه نیازی به استفاده از نمک‌‌ها داشته باشیم.

جایگزینی الکترولیت با یک ماتریس جامد، تنها بخشی از موفقیت‌‌های اخیر تیم پژوهشی بود. بخش دوم مربوط به ابداع بک کاتالیست پایدار می‌‌شد که سرعت فرایند تبدیل را بالا می‌‌برد. یکی از چالش‌‌های معمول درمورد کاتالیست‌‌ها این بود که بتوان از هدررفت ماده طی واکنش جلوگیری کرد تا دیگر نیازی به جایگزین‌‌سازی آن در طول زمان نباشد.

بیسموت، همان ماده‌‌ای بود که می‌‌توانست نقش کاتالیست را به‌‌عهده بگیرد. این ماده نسبت‌‌به سایر فلزات قابل‌‌استفاده در این فرایند حجم بیش‌‌تری داشته است و قابلیت جابجایی‌‌پذیری بالایی ندارد. چنانچه مقادیر کافی از این ماده را در اختیار داشته باشیم، به‌‌راحتی می‌‌توانیم فرایند را از ابعاد آزمایشگاهی به مقیاس صنعتی برسانیم. پژوهشگران برای این موضوع نیز راه‌‌حلی یافته‌‌اند. چوان ژیا، نویسنده‌‌ی ارشد این پژوهش می‌‌گوید:

در حال حاضر، تولید کاتالیست‌‌ها در مقیاس میلی‌‌گرم یا گرمی انجام می‌‌شود. ما راهی برای تولید آن در مقیاس کیلوگرمی یافته‌‌ایم.

دستگاه نهایی به‌‌گونه‌‌ای طراحی شده است که بتواند دی‌‌اکسید کربن را از داخل کاتالیست عبور دهد و آن را به مولکول‌‌های بارداری به‌‌نام فرمات تبدیل کند. پس از این مرحله، مولکول‌‌ها درون هسته‌‌ی جامد الکترولیت تزریق می‌‌شوند و آنجا با یون‌‌های هیدروژن حاصل از یک فرایند کاتالیستی دیگر ترکیب می‌‌شوند. نتیجه‌ی نهایی، یک محلول از اسید فرمیک با غلظت بسیار بالا خواهد بود.

تاکنون فرایند یادشده توانسته با بازدهی ۴۲ درصدی، انرژی الکتریکی حاصل از یک منبع خارجی را به‌‌شکل انرژی شیمیایی فرمیک اسید (درون پیل سوختی) تبدیل و ذخیره‌‌سازی کند. گفتنی است، این انرژی ورودی می‌‌تواند به‌‌راحتی از یک منبع تجدیدپذیر نظیر پنل فتوولتائیک یا توربین بادی تأمین شود که در نهایت راهکاری پاک برای ذخیره‌‌سازی انرژی منابع انرژی متناوب تلقی خواهد شد. وانگ می‌‌گوید:

[فرمیک اسید] ماده‌‌ای حیاتی در صنعت مهندسی شیمی است که می‌‌تواند به‌‌عنوان یک ماده‌‌ی اولیه برای تولید مواد شیمیایی دیگر و نیز روشی برای ذخیره‌‌سازی هیدروژن با ظرفیتی ۱۰۰۰ برابری نسبت‌‌به آن در حجم یکسان تلقی شود؛ بدین ترتیب دیگر با مشکلات موجود در بحث فشرده‌‌سازی هیدروژن مواجه نخواهیم شد. این خود چالشی بزرگ برای خودروهایی مجهز به پیل‌‌های سوختی هیدروزنی به‌‌حساب می‌‌آمد.

امروزه فناوری در تلاش است که راهکاری برای قطع وابستگی به سوخت‌‌های فسیلی و حل مشکل گازهای گلخانه‌‌ای جهان بیابد. این راهکار می‌‌تواند شامل استفاده از این گازها در فرایند ذخیره‌‌سازی انرژی شیمیایی باتری‌‌ها یا حتی افزایش بهره‌‌وری فتوسنتز در گیاهان باشد. در این میان، برخی پژوهشگران نیز سعی دارند این گازها را به‌‌شکل یک ماده‌‌ی جامد درآورند و نهایتا آن را در زیر زمین دفن کنند. نکته‌‌ی واضح این است که فناوری به‌‌کار گرفته‌‌شده، هرچه که باشد، باید بتواند مقتضیات اقتصاد فعلی جهان ما را برآورده کند؛ در غیر این صورت، صرف‌‌نظر از کم‌‌وکیف بازدهی آن، هرگز شاهد ورود یک محصول نهایی به بازار نخواهیم بود.