خبر فوری: کشف انقلابی جذب کربن با تیتانیوم!🌱راه حل جدید برای مقابله با تغییرات اقلیمی

پژوهش‌های دانشگاه ایالتی اورگان در باب جذب کربن دی‌اکسید

دانشمندان دانشگاه ایالتی اورگان، به موفقیت در ساخت مولکول‌هایی نائل شده‌اند که توانایی ویژه‌ای در جذب سریع و قابل توجه کربن دی‌اکسید (CO2) از هوا دارند. این یافته، راهکاری مهم در مبارزه با تغییرات اقلیمی به‌شمار می‌رود. تمرکز اصلی این پژوهش، بر روی پراکسیدهای تیتانیوم بوده و در ادامه‌ی تحقیقات پیشین ایشان در خصوص پراکسیدهای وانادیوم انجام شده است. این تحقیق، بخشی از یک برنامه‌ی بزرگ فدرال برای نوآوری در روش‌ها و مواد نوین به منظور جذب مستقیم کربن دی‌اکسید از هوا (DAC) است که از احتراق سوخت‌های فسیلی حاصل می‌شود.

نتایج این تحقیق که به رهبری می نایمن و کارلی باخ از دانشکده‌ی علوم دانشگاه ایالتی اورگان انجام شده، امروز در نشریه‌ی Chemistry of Materials منتشر شد. در سال 2021، پروفسور نایمن، استاد شیمی ترنس برادشاو در دانشکده‌ی علوم، به عنوان سرپرست یکی از نُه پروژه‌ی جذب مستقیم کربن دی‌اکسید که توسط وزارت انرژی با بودجه‌ی اولیه‌ی 24 میلیون دلار تأمین می‌شود، انتخاب شد. تیم تحقیقاتی وی در حال بررسی چگونگی تعامل برخی از فلزات واسطه با هوا هستند تا کربن دی‌اکسید را حذف کرده و آن را به کربنات فلزی تبدیل کنند، مشابه آنچه در بسیاری از مواد معدنی طبیعی دیده می‌شود.

فلزات واسطه در مرکز جدول تناوبی قرار دارند و این نام‌گذاری، به انتقال الکترون‌ها از سطوح انرژی پایین به سطوح انرژی بالا و بالعکس مربوط می‌شود که منجر به رنگ‌های خاص می‌شود. تاسیسات حذف کربن دی‌اکسید از هوا، هنوز در مراحل ابتدایی خود به سر می‌برند. فناوری‌های کاهش کربن دی‌اکسید در نقطه‌ی تولید، مانند نیروگاه‌ها، بسیار پیشرفته‌تر هستند. دانشمندان معتقدند که هر دو نوع جذب کربن برای مقابله با بدترین پیامدهای تغییرات اقلیمی ضروری خواهند بود.

در حال حاضر، 18 کارخانه فعال در زمینه‌ی جذب مستقیم کربن دی‌اکسید در ایالات متحده، کانادا و اروپا مشغول به فعالیت هستند و برنامه‌هایی برای احداث 130 کارخانه‌ی دیگر در سراسر جهان وجود دارد. چالش‌های جذب مستقیم کربن دی‌اکسید شامل هزینه‌های بالا و نیاز به انرژی فراوان، در مقایسه با کار با گازهای خروجی صنعتی است. علاوه بر این، غلظت کربن دی‌اکسید در جو، که تنها چهار بخش در میلیون است (ppm)، پایین بوده و این موضوع عملکرد مواد جذب‌کننده‌ی کربن را با مشکل مواجه می‌کند.

تحقیق درباره تیتانیوم به عنوان ماده‌ای برای جذب کربن

باخ، دانشجوی مقطع دکتری در آزمایشگاه نایمن، اظهار داشت: «تصمیم گرفتیم به تیتانیوم توجه کنیم، چرا که 100 برابر ارزان‌تر از وانادیوم است، فراوان‌تر، با محیط زیست سازگارتر و در کاربردهای صنعتی مورد استفاده‌ی گسترده قرار دارد.» وی ادامه داد: «تیتانیوم دقیقاً در کنار وانادیوم در جدول تناوبی قرار دارد، بنابراین تصور کردیم که رفتار جذب کربن آن ممکن است به اندازه‌ی کافی شبیه وانادیوم باشد تا مؤثر واقع شود.»

باخ، نایمن و سایر اعضای تیم تحقیقاتی، چندین ساختار جدید تترپراکسو تیتانات را سنتز کردند که شامل یک اتم تیتانیوم است که با چهار گروه پراکسید مرتبط است و توانایی‌های متفاوتی در جذب کربن دی‌اکسید از هوا نشان می‌دهد. ساختارهای تترپراکسو، به‌دلیل وجود گروه‌های پراکسید که عوامل اکسیدکننده‌ی قوی هستند، معمولاً واکنش‌پذیری بالایی دارند. تیتانات‌های پراکسیدی نیز به‌خاطر پتانسیل‌هایشان در کاتالیزورها، شیمی محیط زیست و علم مواد مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. با این حال، تترپراکسو تیتانات‌های این تحقیق، تا پیش از این به‌طور قطعی ساخته نشده بودند؛ باخ موفق شد با استفاده از مواد ارزان‌قیمت، واکنش‌های شیمیایی با راندمان بالا را انجام دهد.

باخ گفت: «ساختار جذب کربن مورد علاقه‌ی ما، پتاسیم تترپراکسو تیتانات است که به‌خاطر این‌که یک پراکسوسولوات هم هست، کاملاً منحصربه‌فرد است.» او توضیح داد: «این بدان معناست که علاوه بر وجود پیوندهای پراکسیدی با تیتانیوم، هیدروژن پراکسید نیز در ساختار وجود دارد که به‌نظر ما آن را بسیار واکنش‌پذیر می‌کند.»

ظرفیت اندازه‌گیری‌شده‌ی جذب کربن، حدود 8.5 میلی‌مول کربن دی‌اکسید به‌ازای هر گرم پتاسیم تترپراکسو تیتانات بود که تقریباً دو برابر ظرفیت وانادیوم پراکسید است. باخ افزود: «تیتانیوم ماده‌ای ارزان‌تر و بی‌خطرتر با ظرفیت به‌مراتب بالاتر است.»

تیتانیوم، که نامش برگرفته از تایتان‌های اساطیر یونانی است، به اندازه‌ی فولاد محکم اما بسیار سبک‌وزن است. این ماده غیرسمی است، به‌راحتی زنگ نمی‌زند و نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین به‌شمار می‌آید که در سنگ‌ها، خاک، گیاهان و حتی در مقادیر جزئی در بدن انسان یافت می‌شود.

سایر نویسندگان این مقاله از دانشگاه ایالتی اورگان، شامل اساتید‌یار تیم زوهلدورف و کنستانتینوس گولاس، پژوهشگر پسادکتری ادوارد گاریدو ریبو، دانشجویان تحصیلات تکمیلی جیکوب هیرشی، ژی‌وی ماو و ماکنزی نورد و کریستالوگراف لِو زاخاروف، مدیر موقت تأسیسات پراش پرتو ایکس OSU بودند. همچنین، بنیاد خیریه‌ی ماردوک از این تحقیق از طریق یک کمک‌هزینه‌ی تجهیزاتی حمایت کرد.