ساختارهای شیمیایی نوین؛ انقلاب در جذب کربن!

تحقیقات دانشگاه ایالت اورگان در زمینه جذب دی‌اکسید کربن

محققان دانشگاه ایالت اورگان موفق به سنتز مولکول‌های جدیدی شده‌اند که قادرند به سرعت مقادیر قابل توجهی از دی‌اکسید کربن را از هوا جذب کنند. این روش یک تاکتیک مهم در کاهش تغییرات اقلیمی به شمار می‌رود. این مطالعه که بر روی پراکسیدهای تیتانیوم متمرکز شده، بر پایه تحقیقات قبلی آن‌ها در زمینه پراکسیدهای وانادیوم است. این تحقیق بخشی از تلاش‌های بزرگ‌مقیاس فدرال برای نوآوری در روش‌ها و مواد جدید برای جذب مستقیم دی‌اکسید کربن از هوا (DAC) است که ناشی از سوختن سوخت‌های فسیلی می‌باشد.

یافته‌های این تحقیق که به رهبری می نایمن و کارلی باخ از دانشکده علوم دانشگاه ایالت اورگان انجام شده، امروز در نشریه Chemistry of Materials منتشر شد. در سال 2021، نایمن، استاد شیمی ترنس برادشاو در دانشکده علوم، به عنوان رهبر یکی از نه پروژه جذب مستقیم دی‌اکسید کربن که توسط وزارت انرژی با سرمایه‌گذاری اولیه 24 میلیون دلار تأمین مالی شده، انتخاب شد. تیم او در حال بررسی این موضوع است که چگونه برخی از کمپلکس‌های فلزات انتقالی می‌توانند با هوا واکنش نشان دهند تا دی‌اکسید کربن را حذف کرده و آن را به کربنات فلزی تبدیل کنند، مشابه آنچه در بسیاری از مواد معدنی طبیعی یافت می‌شود.

فلزات انتقالی در نزدیکی مرکز جدول تناوبی قرار دارند و نام آن‌ها به انتقال الکترون‌ها از حالت‌های انرژی پایین به حالت‌های انرژی بالا و بالعکس مربوط می‌شود که منجر به رنگ‌های متمایز می‌شود. تأسیسات فیلتر کردن دی‌اکسید کربن از هوا هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارند. فناوری‌های کاهش دی‌اکسید کربن در نقطه ورود به جو، مانند نیروگاه‌ها، به مراتب پیشرفته‌تر هستند. دانشمندان معتقدند که هر دو نوع جذب کربن احتمالاً برای جلوگیری از بدترین پیامدهای تغییرات اقلیمی ضروری خواهند بود.

در حال حاضر، 18 کارخانه فعال جذب مستقیم دی‌اکسید کربن در ایالات متحده، کانادا و اروپا در حال کار هستند و برنامه‌هایی برای تأسیس 130 کارخانه دیگر در سرتاسر جهان وجود دارد. چالش‌های جذب مستقیم دی‌اکسید کربن شامل هزینه‌های بالا و نیاز به انرژی زیاد در مقایسه با کار با گازهای خروجی صنعتی است. علاوه بر این، غلظت دی‌اکسید کربن در جو، که چهار قسمت در میلیون است، پایین است و این موضوع عملکرد مواد جذب کربن را به چالش می‌کشد.

تحقیق درباره تیتانیوم به عنوان ماده‌ای برای جذب کربن

باخ، دانشجوی تحصیلات تکمیلی در آزمایشگاه نایمن، گفت: “ما تصمیم گرفتیم به تیتانیوم نگاه کنیم زیرا ۱۰۰ برابر ارزان‌تر از وانادیوم است، فراوان‌تر، سازگارتر با محیط زیست و در کاربردهای صنعتی به خوبی تثبیت شده است.” او ادامه داد: “تیتانیوم درست در کنار وانادیوم در جدول تناوبی قرار دارد، بنابراین فرض کردیم که رفتار جذب کربن آن ممکن است به اندازه کافی مشابه وانادیوم باشد تا مؤثر واقع شود.”

باخ، نایمن و سایر اعضای تیم تحقیقاتی چندین ساختار جدید تترپرکسو تیتانات ایجاد کردند که شامل یک اتم تیتانیوم هماهنگ با چهار گروه پراکسید است و توانایی‌های متفاوتی در جذب دی‌اکسید کربن از هوا نشان دادند. ساختارهای تترپرکسو به دلیل وجود گروه‌های پراکسید که عوامل اکسیدکننده قوی هستند، معمولاً بسیار واکنش‌پذیرند. تیتانات‌های پراکسیدی مرتبط نیز به خاطر پتانسیل‌هایشان در کاتالیز، شیمی محیط زیست و علم مواد مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. با این حال، تترپرکسو تیتانات‌های این مطالعه هرگز به طور قطعی سنتز نشده بودند؛ باخ توانسته است با استفاده از مواد ارزان قیمت، واکنش‌های شیمیایی با بازده بالا را انجام دهد.

باخ گفت: “ساختار جذب کربن مورد علاقه ما، پتاسیم تترپرکسو تیتانات است که به خاطر اینکه همچنین یک پراکسوسولوات است، بسیار منحصر به فرد است.” او توضیح داد: “این به این معنی است که علاوه بر داشتن پیوندهای پراکسیدی به تیتانیوم، هیدروژن پراکسید نیز در ساختار وجود دارد که به باور ما آن را بسیار واکنش‌پذیر می‌کند.”

ظرفیت جذب کربن اندازه‌گیری شده حدود ۸.۵ میلی‌مول دی‌اکسید کربن به ازای هر گرم پتاسیم تترپرکسو تیتانات بود که تقریباً دو برابر ظرفیت وانادیوم پراکسید است. باخ افزود: “تیتانیوم ماده‌ای ارزان‌تر و ایمن‌تر با ظرفیت به مراتب بالاتر است.”

تیتانیوم که نامش از تیتان‌های اساطیر یونانی گرفته شده، به اندازه فولاد محکم اما بسیار سبک است. این ماده غیرسمی است، به راحتی زنگ نمی‌زند و نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین به شمار می‌رود که در سنگ‌ها، خاک، گیاهان و حتی در مقادیر جزئی در بدن انسان یافت می‌شود.

نویسندگان دیگر این مقاله از دانشگاه ایالت اورگن شامل استادان یاری‌گر 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 خیریه ماردوک این تحقیق را از طریق یک کمک‌هزینه تجهیزاتی حمایت کرد.