تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك

تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك

تم العثور على معدن التربة واسع الانتشار ، alpha-iron- (III) أوكسي هيدروكسيد ، ليكون محفزًا قابلًا لإعادة التدوير لشفط ثاني أكسيد الكربون الضوئي إلى حمض الفورميك.

تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى حمض الفورميك باستخدام مركب قائم على الحديد يدعمه الألومينا

يعد التحوّل الضوئي لثاني أكسيد الكربون إلى وقود قابل للنقل مثل حمض الفورميك (HCOOH) طريقة رائعة للتعامل مع ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي . للمساعدة في هذه المهمة ، اختار فريق بحث من Tokyo Tech معدنًا من الحديد متاحًا بسهولة وحمله على دعامة من الألومينا لتطوير محفز يمكنه تحويل ثاني أكسيد الكربون بكفاءة إلى HCOOH مع انتقائية بنسبة 90٪ تقريبًا!

تعد السيارات الكهربائية خيارًا جذابًا للكثيرين ، وسبب رئيسي وراء افتقارها إلى انبعاثات الكربون. ومع ذلك ، فإن العيب الكبير بالنسبة للكثيرين هو افتقارهم إلى النطاق وأوقات الشحن الطويلة. هذا هو المكان الذي يتمتع فيه الوقود السائل مثل البنزين بميزة كبيرة. كثافة طاقتها العالية تعني مدى طويل ، وهي سريعة للتزود بالوقود.

يمكن أن يؤدي التحول إلى وقود سائل مختلف من البنزين أو الديزل إلى القضاء على انبعاثات الكربون مع الاحتفاظ بمزايا الوقود السائل. على سبيل المثال ، في خلية الوقود يمكن للفورميك تشغيل المحرك أثناء إطلاق الماء وثاني أكسيد الكربون . ومع ذلك ، إذا تم إنشاء حمض الفورميك عن طريق تقليل ثاني أكسيد الكربون الموجود في الغلاف الجوي إلى HCOOH ، فإن الناتج الصافي الوحيد هو الماء.

أصبح ارتفاع مستويات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ومساهمتها في الاحتباس الحراري من الأخبار الشائعة الآن. بينما يختبر الباحثون طرقًا مختلفة لمحاربة هذه المشكلة ، ظهر حل فعال واحد - تحويل فائض ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي إلى مواد كيميائية غنية بالطاقة.

اجتذب إنتاج الوقود مثل حمض الفورميك (HCOOH) عن طريق الامتصاص الضوئي لثاني أكسيد الكربون تحت أشعة الشمس الكثير من الاهتمام مؤخرًا بسبب الفائدة المزدوجة التي يمكن اكتسابها من هذه العملية: يمكن أن تقلل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون الزائدة ، وتساعد أيضًا في تقليل نقص الطاقة الذي نواجهه حاليا. نظرًا لكونه ناقلًا ممتازًا للهيدروجين بكثافة طاقة عالية ، يمكن لـ HCOOH توفير الطاقة عن طريق الاحتراق مع إطلاق الماء فقط كمنتج ثانوي.

لتحويل هذا الحل المربح إلى واقع ، طور العلماء أنظمة تحفيز ضوئي يمكنها تقليل ثاني أكسيد الكربون بمساعدة ضوء الشمس. يتكون مثل هذا النظام من ركيزة ماصة للضوء (أي محسس ضوئي) ومحفز يمكنه تمكين عمليات نقل الإلكترونات المتعددة المطلوبة لتقليل ثاني أكسيد الكربون إلى HCOOH. وهكذا بدأ البحث عن محفز مناسب وفعال!

التخفيض التحفيزي الضوئي لثاني أكسيد الكربون باستخدام مخطط المعلومات الرسومي المركب المتوفر بشكل عام.

تم اعتبار المحفزات الصلبة أفضل المرشحين لهذه المهمة ، نظرًا لكفاءتها وإمكانية إعادة تدويرها ، وعلى مر السنين ، تم استكشاف القدرات التحفيزية للعديد من الأطر المعدنية العضوية القائمة على الكوبالت والمنغنيز والنيكل والحديد ، باستخدام هذا الأخير له بعض المزايا على المعادن الأخرى. ومع ذلك ، فإن معظم المحفزات القائمة على الحديد التي تم الإبلاغ عنها حتى الآن تنتج أول أكسيد الكربون فقط كمنتج رئيسي ، بدلاً من HCOOH.

ومع ذلك ، سرعان ما تم حل هذه المشكلة من قبل فريق من الباحثين من معهد طوكيو للتكنولوجيا (Tokyo Tech) بقيادة البروفيسور كازوهيكو مايدا. في دراسة حديثة نُشرت في مجلة الكيمياء Angewandte Chemie ، قدم الفريق محفزًا مدعومًا من الألومينا (Al 2 O 3 ) ، قائم على الحديد يستخدم أوكسي هيدروكسيد ألفا الحديد (III) (α-FeOOH ؛ الجيوثايت). أظهر محفز α-FeOOH / Al 2 O 3 الجديد خصائص تحويل CO 2 إلى HCOOH إلى جانب قابلية إعادة التدوير الممتازة. عندما سُئل البروفيسور مايدا عن اختيارهم للعامل الحفاز ، قال: "أردنا استكشاف المزيد من العناصر الوفيرة كمحفزات في ثاني أكسيد الكربوننظام الاستخراج الضوئي. نحن بحاجة إلى محفز صلب نشط وقابل لإعادة التدوير وغير سام وغير مكلف ، ولهذا السبب اخترنا معادن التربة واسعة الانتشار مثل الجيوثايت لتجاربنا ".

اعتمد الفريق طريقة تشريب بسيطة لتجميع المحفز. ثم استخدموا مادة Al 2 O 3 المحملة بالحديد لتقليل التحفيز الضوئي لثاني أكسيد الكربون في درجة حرارة الغرفة في وجود محسس ضوئي قائم على الروثينيوم (Ru) ، ومتبرع إلكتروني ، وضوء مرئي بطول موجة يزيد عن 400 نانومتر.

كانت النتائج مشجعة للغاية. أظهر نظامهم انتقائية بنسبة 80-90 ٪ تجاه المنتج الرئيسي ، HCOOH ، وعائد كمي بنسبة 4.3 ٪ (مما يشير إلى كفاءة النظام).

تقدم هذه الدراسة محفزًا صلبًا هو الأول من نوعه قائم على الحديد والذي يمكن أن يولد HCOOH عندما يكون مصحوبًا بمُحسِس ضوئي فعال. كما يستكشف أهمية مادة الدعم المناسبة (Al 2 O 3 ) وتأثيرها على تفاعل الاختزال الكيميائي الضوئي.

يمكن للرؤى من هذا البحث أن تساعد في تطوير محفزات جديدة - خالية من المعادن الثمينة - من أجل التحلل الضوئي لثاني أكسيد الكربون إلى مواد كيميائية مفيدة أخرى. تظهر دراستنا أن الطريق إلى اقتصاد طاقة أكثر اخضرارًا لا يجب أن يكون معقدًا. يمكن تحقيق نتائج رائعة حتى من خلال اعتماد طرق تحضير محفز بسيطة ويمكن استخدام مركبات وفيرة في الأرض المعروفة كمحفزات انتقائية لتقليل ثاني أكسيد الكربون ، إذا كانت مدعومة بمركبات مثل الألومينا "، يختتم البروفيسور مايدا.