خبر فوری: کشف انقلابی در جذب کربن! تیتانیوم، جایگزین ارزان‌تر و قوی‌تر از وانادیوم

پژوهش‌های دانشگاه ایالتی اورگان در باب گرفتن کربن دی‌اکسید

دانشمندان دانشگاه ایالتی اورگان دست به ساخت مولکول‌های تازه‌ای زده‌اند که می‌توانند مقدار قابل توجهی از کربن دی‌اکسید را با سرعت زیاد از هوا بگیرند. این روش، راه‌حلی مهم برای کم کردن تغییرات اقلیمی به حساب می‌آید. این پژوهش که بر روی ترکیبات پراکسید تیتانیوم متمرکز شده، بر اساس تحقیقات قبلی آن‌ها در زمینه ترکیبات پراکسید وانادیوم پایه‌ریزی شده. این تحقیق بخشی از تلاش‌های گسترده‌ی دولتی برای نوآوری در روش‌ها و مواد جدید برای جذب مستقیم کربن دی‌اکسید از هوا (DAC) است، که از سوختن سوخت‌های فسیلی نشأت می‌گیرد.

یافته‌های این پژوهش که به سرپرستی می ناینمن و کارلی باخ از دانشکده علوم دانشگاه ایالتی اورگان انجام شده، امروز در مجله‌ی Chemistry of Materials منتشر شد. در سال 2021، ناینمن، استاد شیمی و ترنس برادشاو در دانشکده‌ی علوم، به عنوان رهبر یکی از نه پروژه جذب مستقیم کربن دی‌اکسید که توسط وزارت انرژی با سرمایه‌ی اولیه‌ی 24 میلیون دلار تأمین مالی شده بود، انتخاب شد. گروه او در حال بررسی این موضوع است که چگونه برخی از کمپلکس‌های فلزات انتقالی می‌توانند با هوا واکنش نشان دهند تا کربن دی‌اکسید را از بین ببرند و آن را به کربنات فلزی تبدیل کنند، شبیه چیزی که در بسیاری از مواد معدنی طبیعی دیده می‌شود.

فلزات انتقالی در نزدیکی مرکز جدول تناوبی قرار دارند و نام‌گذاری آن‌ها به خاطر جابجایی الکترون‌ها از حالت‌های انرژی پایین به بالا و برعکس است که باعث به وجود آمدن رنگ‌های گوناگون می‌شود. تجهیزات فیلتر کردن کربن دی‌اکسید از هوا هنوز در مراحل ابتدایی خود قرار دارند. فناوری‌های کاهش کربن دی‌اکسید در نقطه‌ی ورود به جو، مانند نیروگاه‌ها، پیشرفت بیشتری کرده‌اند. دانشمندان معتقدند که هر دو نوع گرفتن کربن برای جلوگیری از بدترین پیامدهای تغییرات اقلیمی روی زمین حیاتی خواهد بود.

تا حالا، در مجموع 18 کارخانه فعال جذب مستقیم کربن دی‌اکسید در ایالات متحده، کانادا و اروپا در حال فعالیت هستند و برنامه‌هایی برای راه‌اندازی 130 کارخانه‌ی دیگر در سراسر دنیا وجود دارد. چالش‌های گرفتن مستقیم کربن دی‌اکسید، هزینه‌های بالا و نیاز به مقدار زیادی انرژی در مقایسه با کار با گازهای خارج شده از کارخانه‌ها است. علاوه بر این، مقدار کربن دی‌اکسید در جو، چهار قسمت در میلیون، کم است که عملکرد مواد جذب کربن را با مشکل مواجه می‌کند.

تحقیق بر روی تیتانیوم به عنوان جایگزینی برای وانادیوم در جذب کربن

باخ، دانشجوی دوره‌ی دکترا در آزمایشگاه ناینمن، گفت: «ما تصمیم گرفتیم به تیتانیوم نگاه کنیم چون 100 برابر ارزان‌تر از وانادیوم است، فراوان‌تر، با محیط‌زیست سازگارتر و در کاربردهای صنعتی جا افتاده‌تر است.» او اضافه کرد: «تیتانیوم درست در کنار وانادیوم در جدول تناوبی قرار دارد، به همین دلیل فکر کردیم که رفتار جذب کربن آن می‌تواند به اندازه‌ی کافی شبیه وانادیوم باشد تا مؤثر واقع شود.»

باخ، ناینمن و دیگر اعضای گروه پژوهشی چندین ساختار جدید تتراپراکسو تیتانات درست کردند که در آن یک اتم تیتانیوم با چهار گروه پراکسید متصل شده است. این ساختارهای تتراپراکسو به دلیل وجود گروه‌های پراکسید، که عوامل اکسیدکننده قوی هستند، تمایل زیادی به واکنش‌دهی دارند. تیتانات‌های پراکسی نیز به دلیل پتانسیل‌شان در کاتالیز، شیمی محیط‌زیست و علم مواد، مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. با این حال، تتراپراکسو تیتانات‌های این پژوهش هیچ‌وقت به صورت قطعی ساخته نشده بودند و باخ توانست با استفاده از مواد ارزان قیمت، واکنش‌های شیمیایی با بازدهی بالا را انجام دهد.

باخ گفت: «ساختاری که برای گرفتن کربن بیشتر به آن علاقه داریم، پتاسیم تتراپراکسو تیتانات است، چون معلوم شده که یک پراکسی‌سولوات هم هست.» او توضیح داد: «این به این معنی است که علاوه بر داشتن پیوندهای پراکسید با تیتانیوم، در ساختار آن پراکسید هیدروژن هم وجود دارد که به نظر ما این ماده را خیلی واکنش‌پذیر می‌کند.»

مقدار کربنی که گرفته شد حدود 8.5 میلی‌مول کربن دی‌اکسید به ازای هر گرم پتاسیم تتراپراکسو تیتانات بود که تقریباً دو برابر مقدار وانادیوم پراکسید است. باخ گفت: «تیتانیوم ماده‌ای ارزان‌تر و ایمن‌تر با ظرفیت خیلی بالاتر است.» تیتانیوم که نامش از تایتان‌های افسانه‌های یونانی گرفته شده، به اندازه‌ی فولاد محکم اما خیلی سبک است. این ماده سمی نیست، به راحتی زنگ نمی‌زند و نهمین عنصری است که فراوان در پوسته‌ی زمین پیدا می‌شود که در سنگ‌ها، خاک، گیاهان و حتی به مقدار کم در بدن انسان وجود دارد.

دیگر نویسنده‌های این مقاله از دانشگاه ایالت اورگان شامل استاد‌یاران تیم زوهلسدورف و کنتاسینوس گولاس، پژوهشگر پسا‌دکترا ادوارد گاریدو ریبو، دانشجویان دوره‌ی دکترا جیکوب هیرشی، ژی‌وی ماو و ماکنزی نورد و کریستالوگراف لِو زاخاروف، مدیر موقت تأسیسات پراش اشعه ایکس دانشگاه ایالت اورگان بودند. همچنین، بنیاد خیریه‌ی ماردوک این پژوهش را از طریق یک کمک‌هزینه‌ی تجهیزاتی حمایت کرد.