ساختارهای شیمیایی جدید؛ انقلاب در جذب کربن

تحقیقات دانشگاه ایالتی اورگن در زمینه جذب دی‌اکسید کربن

محققان دانشگاه ایالتی اورگن موفق به سنتز مولکول‌های جدیدی شده‌اند که قادرند به سرعت مقادیر قابل توجهی از دی‌اکسید کربن را از هوا جذب کنند. این روش، یک استراتژی مهم در کاهش تغییرات اقلیمی به شمار می‌رود. این مطالعه که بر روی پراکسیدهای تیتانیوم متمرکز شده، بر اساس تحقیقات قبلی آنها در زمینه پراکسیدهای وانادیوم انجام شده است. این تحقیق بخشی از تلاش‌های گسترده 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 مِی نایمن و کارلی باخ از دانشکده علوم دانشگاه ایالتی اورگن انجام شده، امروز در نشریه Chemistry of Materials منتشر شد. در سال 2021، نایمن، استاد شیمی و 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 دلیل انتقال الکترون‌ها از حالت‌های انرژی پایین به بالا و بالعکس است که باعث ایجاد رنگ‌های متمایز می‌شود. تأسیسات فیلتر کردن دی‌اکسید کربن از هوا هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند. فناوری‌های کاهش دی‌اکسید کربن در نقطه ورود به جو، مانند نیروگاه‌ها، به مراتب پیشرفته‌تر هستند. دانشمندان معتقدند که هر دو نوع جذب کربن برای جلوگیری از بدترین پیامدهای تغییرات اقلیمی بر روی زمین ضروری خواهند بود.

در حال حاضر، در مجموع 18 کارخانه فعال جذب مستقیم دی‌اکسید کربن در ایالات متحده، کانادا و اروپا در حال فعالیت هستند و برنامه‌هایی برای راه‌اندازی 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، چهار قسمت در میلیون، پایین است که عملکرد مواد جذب کربن را به چالش می‌کشد.

تحقیق بر روی تیتانیوم به عنوان جایگزینی برای وانادیوم در 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، دوستدار محیط زیست‌تر و در کاربردهای صنعتی به خوبی جا افتاده است.” او افزود: “تیتانیوم درست در کنار وانادیوم در جدول تناوبی قرار دارد، بنابراین ما فرض کردیم که رفتار جذب کربن آن می‌تواند به اندازه کافی مشابه وانادیوم باشد تا مؤثر واقع شود.”

باخ، نایمن و سایر اعضای تیم تحقیقاتی چندین ساختار جدید تتراپراکسو تیتانات ایجاد کردند که در آن یک اتم تیتانیوم با چهار گروه پراکسید هماهنگ شده است. این ساختارهای تتراپراکسو به دلیل وجود گروه‌های پراکسید، که عوامل اکسیدکننده قوی هستند، تمایل به واکنش‌پذیری بالایی دارند. تیتانات‌های پراکسی مرتبط نیز به دلیل پتانسیل‌هایشان در کاتالیز، شیمی محیط زیست و علم مواد مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. با این حال، تتراپراکسو تیتانات‌های این مطالعه هرگز به طور قطعی سنتز نشده بودند و باخ توانست با استفاده از مواد ارزان قیمت، واکنش‌های شیمیایی با بازده بالا را انجام دهد.

باخ گفت: “ساختار مورد علاقه ما برای جذب کربن، پتاسیم تتراپراکسو تیتانات است که به دلیل این که مشخص شد همچنین یک پراکسی‌سولوات است، بسیار منحصر به فرد است.” او توضیح داد: “این به این معنی است که علاوه بر داشتن پیوندهای پراکسید با تیتانیوم، در ساختار آن پراکسید هیدروژن نیز وجود دارد که به اعتقاد ما باعث می‌شود این ماده بسیار واکنش‌پذیر باشد.”

ظرفیت جذب کربن اندازه‌گیری شده حدود ۸.۵ میلی‌مول دی‌اکسید کربن به ازای هر گرم پتاسیم تتراپراکسو تیتانات بود که تقریباً دو برابر ظرفیت وانادیوم پراکسید است. باخ گفت: “تیتانیوم ماده‌ای ارزان‌تر و ایمن‌تر با ظرفیت بسیار بالاتر است.” تیتانیوم که نامش از تیتان‌های اسطوره‌های یونانی گرفته شده، به اندازه فولاد قوی اما بسیار سبک است. این ماده غیرسمی است، به راحتی زنگ نمی‌زند و نهمین عنصر فراوان در پوسته زمین است که در سنگ‌ها، خاک، گیاهان و حتی در مقادیر کم در بدن انسان یافت می‌شود.

دیگر نویسندگان این مقاله از دانشگاه ایالت اورگان شامل استادان یاری‌گر تیم زوهلسدورف و کنتاسینوس گولاس، پژوهشگر پسادکتری ادوارد گاریدو ریبو، دانشجویان تحصیلات تکمیلی جیکوب هیرشی، ژی‌وی ماو و ماکنزی نورد و کریستالوگراف لِو زاخاروف، مدیر موقت تأسیسات پراش اشعه ایکس دانشگاه ایالت اورگان بودند. همچنین، بنیاد خیریه ماردوک این تحقیق را از طریق یک کمک‌هزینه تجهیزاتی حمایت کرد.