تعد تقنية تقليل ثاني أكسيد الكربون (CO2RR) من التكنولوجيا الخضراء الناشئة التي تهدف إلى تحويل CO2، الذي يعد عاملًا رئيسيًا في ظاهرة الاحتباس الحراري، إلى منتجات قيمة مثل أول أكسيد الكربون والإيثيلين والكحوليات، باستخدام الكهرباء المستمدة من مصادر متجددة. ومع ذلك، تعاني هذه الأنظمة من مشكلة الاستقرار المحدود بسبب تراكم الأملاح في قنوات تدفق الغاز، مما يؤدي إلى انسدادها وانخفاض كفاءتها وفشلها المبكر.
التحديات في تقليل ثاني أكسيد الكربون
يواجه الباحثون تحديات كبيرة في تطبيق تقنية تقليل ثاني أكسيد الكربون على نطاق واسع بسبب مشكلات الاستقرار. أحد أبرز هذه التحديات هو تراكم أملاح بيكربونات البوتاسيوم في قنوات تدفق الغاز، التي تتكون عندما تنتقل أيونات البوتاسيوم من الأنوليت عبر الغشاء الأنيوني إلى منطقة تفاعل الكاثود وتتحد مع ثاني أكسيد الكربون في ظروف pH عالية.
تتسبب هذه الرواسب الملحية في انسداد قنوات تدفق الغاز وفيضان الأقطاب الغازية، مما يؤدي إلى فشل الأداء، وهو ما يحدث عادةً خلال بضع مئات من الساعات، مما يجعل التقنية بعيدة عن الجدوى التجارية.
الابتكار في استخدام تقنية CO2 المرطبة بالحمض
لمواجهة هذه التحديات، ابتكر فريق من الباحثين في جامعة رايس تقنية جديدة تُعرف باسم CO2 المرطبة بالحمض، حيث يتم تمرير غاز CO2 عبر محلول حامضي مثل حمض الهيدروكلوريك أو الفورميك أو الأسيتيك بدلاً من الماء.
يتم نقل بخار الحمض إلى غرفة تفاعل الكاثود بكميات ضئيلة، فقط بما يكفي لتغيير الكيمياء المحلية. ولأن الأملاح المتكونة مع هذه الأحماض أكثر ذوبانًا من بيكربونات البوتاسيوم، فإنها لا تتبلور وتسد القنوات.
نتائج واعدة مع مجموعة متنوعة من المحفزات
كانت تأثيرات استخدام تقنية CO2 المرطبة بالحمض مذهلة. ففي الاختبارات التي استخدمت محفزات فضية، وهو معيار شائع لتحويل CO2 إلى أول أكسيد الكربون، عمل النظام بثبات لأكثر من 2000 ساعة في جهاز معملي وأكثر من 4500 ساعة في جهاز مُكَبَّر بمساحة 100 سنتيمتر مربع.
علاوة على ذلك، أثبتت الطريقة فعاليتها مع أنواع مختلفة من المحفزات، بما في ذلك أكسيد الزنك وأكسيد النحاس وأكسيد البزموت، التي تُستخدم لاستهداف منتجات CO2RR مختلفة. وأيضًا، أظهرت التجارب أن الطريقة يمكن أن تُكبَّر دون التضحية بالأداء، حيث حافظت الأجهزة الكبرى على كفاءة الطاقة وتجنبت انسداد الأملاح لفترات طويلة.
الخاتمة
تفتح هذه الدراسة الطريق أمام تطوير أجهزة تقليل ثاني أكسيد الكربون أكثر دواما وقابلة للتوسع، وهو أمر ضروري إذا كانت هذه التكنولوجيا ستُعتمد على نطاق صناعي كجزء من استراتيجيات التقاط الكربون واستخدامه. تتميز الطريقة ببساطتها، حيث تتطلب فقط تعديلات صغيرة على إعدادات الترطيب الحالية، مما يعني أنه يمكن تبنيها دون إعادة تصميمات كبيرة أو تكاليف إضافية.
إن هذا الاكتشاف يمثل خطوة كبيرة نحو جعل تقنيات استخدام الكربون أكثر جدوى تجاريًا وأكثر استدامة، مما يعزز الجهود العالمية للتصدي لتغير المناخ.
