کاتالیست نانو-میان‌فلزی، گامی در جهت اقتصاد دورانی CO2
تلاش برای دستیابی به انتشار کربن دی‌اکسید صفر، نیاز حیاتی به ابتکارات نوآورانه را نشان می‌دهد. یک نقطه کانونی برای پژوهشگران تبدیل کربن دی‌اکسید به متانول است که می‌تواند به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر مورد استفاده قرار گیرد. استفاده از یک کاتالیست نانو-میان‌فلزی برای این روش تحول‌آفرین خواهد بود؛ زیرا دارای مصرف انرژی کم و راندمان بالا برای یک اقتصاد دورانی CO2 است. در این یادداشت، مروری بر این پژوهش امیدوارکننده ارائه شده‌است و پتانسیل آن برای رفع یک نگرانی مهم که در گزارش IPCC در سال 2021 بیان شده است، مورد بحث قرار می‌گیرد.
هدف اقتصاد دورانی غلبه بر موانع جهانی مانند تغییر اقلیم و آلودگی است. IPCC اعلام کرده‌است که فعالیت‌های انسانی مسئول سطح قابل‌توجهی از انتشار CO2 است و نیاز به نوآوری‌های سبز را برای کاهش این میزان وجود دارد.
گزارش IPCC نشان می‌دهد اگر این سطح از انتشار CO2 فعلی ادامه داشته باشد، گرم شدن جهانی هوای کره زمین بین سال‌های ۲۰۳۰ تا ۲۰۵۲ به ۱.۵ درجه خواهد رسید. داشتن یک اقتصاد دورانی کربن دی‌اکسید می‌تواند به کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و به نوبه خود کاهش گرم شدن جهانی هوای کره زمین کمک کند.
هیدروژناسیون کربن دی‌اکسید
نگرانی فزاینده نسبت به تغییرات اقلیمی و اسیدی شدن اقیانوس‌ها منجر به تحقیقات زیست محیطی نوآورانه‌ای شامل هیدروژنه‌کردن کربن دی‌اکسید به الکل و یا دیگر ترکیبات هیدروکربنی برای بازیافت این آلاینده اصلی هوا شده‌است.
متانول دارای ویژگی‌های آلی است که به آن امکان می‌دهد تا یک جز سازنده شیمیایی برای اهداف متعدد باشد. آن را می‌توان برای طیف وسیعی از کاربردها، از پلاستیک گرفته تا مصالح ساختمانی و همچنین به دلیل افزایش تقاضا، به عنوان یک منبع انرژی پاک و تجدیدپذیر مورد استفاده قرار داد. بازیافت کربن دی‌اکسید به متانول با تبدیل آن به انرژی پاک، روش موثری برای استفاده از انتشار بالای CO2 فراهم می‌کند؛ این امر به ابتکار زیست‌محیطی که توسط IPCC ارائه شده است کمک می‌کند و در کاهش سطح کربن دی‌اکسید مضر مؤثر خواهد بود.
هیدروژنه‌کردن کربن دی‌اکسید به متانول از طریق واکنش جابجایی آب-گاز معکوس (RWGS) صورت می‌گیرد، که در آن کربن دی‌اکسید ابتدا به CO2 و آب تبدیل می‌شود؛ سپس آب پیش از ورود به راکتورهای متانول از گاز واکنش‌دهنده خارج می‌شود.
واکنش جابجایی آب-گاز معکوس یک روش مؤثر و مقرون به صرفه برای مدیریت حجم زیاد کربن دی‌اکسید از طریق سنتز متانول است. با این حال، چالش دستیابی به کاتالیست مطلوب برای این واکنش باید رفع شود. استفاده از الکتروکاتالیست و فتوکاتالیست هیدروژناسیون کربن دی‌اکسید، معایبی مانند بهره‌وری پایین ناشی از چگالی انرژی پایین دارد.
این چالش منجر به تحقیق در مورد نانوذرات و استفاده از کاتالیست‌های نانو-مس و فلزی برای کشف نتیجه بهینه بهره‌وری مانند گزینش‌پذیری بالای متانول شده است.
تحقیقات جدید
تحقیقات جدید استفاده از کاتالیست نانو-میان‌فلزی InNi3C0.5 را به دلیل خصوصیات نانوذرات، از جمله فعال بودن، انتخابی پایداری برای این روش تبدیل و گزینش‌پذیری، برای واکنش RWGS آشکار کرده‌است. این کاتالیست از سایت‌های فعال دوگانه تشکیل شده است و تفکیک مؤثر CO2 به CO و در نهایت H2O را ارائه می‌دهد. از آنجا این کاتالیست دارای اختلاف دمایی مانند دفع سطحی CO در دمای 400 درجه سانتی‌گراد یا بالاتر در مقایسه با 300 درجه است، می‌تواند به عنوان یک جزء مهم هیدروژناسیون کربن دی‌اکسید در نظر گرفته شود.
استفاده از ترکیبات میان‌فلزی به عنوان کاندیدی برای کاتالیست می‌تواند به دلیل توانایی آنها در تنظیم آسان ساختارهای الکترونیکی قابل تنظیم مجدد، مفید باشد. تحقیقات پیشین فواید استفاده از واسط فلز اکسید و فلز کاربید برای تبدیل کربن دی‌اکسید به متانول را برجسته کرده‌است.
علاوه بر این، استفاده از زیرکونیا (ZrO2) می‌تواند میزان تولید و گزینش‌پذیری متانول را افزایش دهد. با ترکیب این مولفه‌ها در یک کاتالیست، دستیابی به هدف زیست‌محیطی کاهش انتشار CO2 از طریق تبدیل CO2 به متانول بسیار دست‌یافتنی‌تر خواهد بود.
کاتالسیت InNi3C0.5/ZrO2
یک مطالعه پژوهشی که توسط منگ و همکاران در مجله Science Advances منتشر شده است، عملکرد کاتالیست‌های کربن دی‌اکسید-به-متانول را که نانوذرات InNi3C0.5 را بر روی اکسیدهای کاهش‌پذیر پراکنده کرده‌اند، مورد بررسی قرار داد. این یافته‌ها شامل InNi3C0.5/(monoclinic (m))-ZrO2 است که عملکرد عالی با ۱۱.۲ درصد در تبدیل CO2 و 85.4 درصد در گزینش‌پذیری متانول را نشان داد و همچنین تأیید کرد که ساختار الکترونی InNi3C0.5 توسط ZrO2 (به ویژه توسط m-ZrO2 به دلیل وجود تهی جای فراوان اکسیژن) تنظیم شده است. این امر به نوبه خود منجر به افزایش فعالیت CO2 در سطح InNi3C0.5 شد، که میزان تبدیل کربن دی‌اکسید به متانول را بهبود می‌بخشد.
پیشرفت نانوفناوری
استفاده از نانوفناوری و نانوذرات در صنایع مختلف تحول‌آفرین بوده‌است، با این فناوری نوآورانه پیشرفت‌های جدیدی در بسیاری از زمینه‌ها ایجاد شده است. نانوذرات دارای قطر ۱۰۰ نانومتر یا کم‌تر هستند و با قابلیت تنظیم قابل توجه، برای گزینش‌پذیری بسیار مفیدند. این امر به آنها این امکان را می‌دهد که به عنوان یک عامل کاتالیستی مورد استفاده قرار گیرند؛ زیرا می‌توانند به اطمینان از گزینش‌پذیری متانول در مقایسه با کاتالیست‌های فعلی، کمک کنند. در کنار این، پژوهشگران می‌توانند به طور بالقوه این ذرات را به طور مؤثر تحت نظارت قرار دهند.
خواص کاتالیست‌های نانو-میان‌فلزی مانند پایداری و هزینه کم می‌تواند برای صنایعی که از هیدروژناسیون کربن به صورت متانول به عنوان منبع تجدیدپذیر سوخت خودروها استفاده می‌کنند، جذاب باشد. پتانسیل این تحقیق برای بسیاری از صنایعی که به سوخت و یا یک منبع انرژی نیاز دارند، امیدوارکننده است؛ زیرا به موفقیت سنتز متانول به عنوان یک منبع تجدیدپذیر جایگزین کمک می‌کند. در نتیجه کاهش انتشار CO2 و ایجاد آینده‌ای پایدار از طریق یک اقتصاد دورانی کربن دی‌اکسید می‌تواند محقق شود.
ایجاد یک اقتصاد دورانی CO2 پایدارتر مستلزم سیاست‌های دولتی است که هدف آنها رسیدگی به مسائل مربوط به گرمایش جهانی است که توسط IPCC مشخص شده است. با انجام این کار، نوآوری در فناوری کاتالیست به کار گرفته می‌شود و احتمال منابع انرژی پاک‌تر در کاربردهای صنعتی افزایش می‌یابد. کاهش قابل توجه CO2 ناشی از فعالیت‌های انسانی ممکن است به واقعیت تبدیل شود.
واکنش صنعتی به تغییر اقلیم
این یادداشت بخشی از سری سرمقاله (IPCC) در راستای واکنش صنعتی به تغییر اقلیم است، مجموعه‌ای از محتوا که نحوه واکنش بخش‌های مختلف به موضوعات برجسته در گزارش‌های IPCC سال 2018 و 2021 را بررسی می‌کند. در این مجموعه یادداشت‌ها، نهادهای تحقیقاتی، سازمان‌های صنعتی، و فناوری‌های نوین در حیطه نانوفناوری که راهکارهای انطباقی برای کاهش تغییرات اقلیمی را ایجاد می‌کنند، مورد بررسی قرار می‌گیرند.
درباره نویسنده «مرضیه خان»
مرضیه خان عاشق تحقیقات علمی و نوآوری است. او دارای فوق لیسانس فناوری نانو و پزشکی ترمیمی و همچنین لیسانس علوم زیست پزشکی است. او در حال حاضر در NHS کار می‌کند و درگیر یک برنامه نوآوری علمی است.