بزرگ‌ترین کشف برای نجات زمین! تبدیل CO2 به سوخت با مس ارزان

تبدیل کربن‌دی‌اکسید به انرژی: گامی به سوی آینده‌ای پاک‌تر

انتشار بیش از حد کربن‌دی‌اکسید (CO2) به گرم شدن زمین و دگرگونی‌های آب‌وهوایی دامن می‌زند. اما چه می‌شود اگر دانشمندان قادر باشند این CO2 اضافی را به یک منبع انرژی ارزشمند تبدیل کنند؟ یکی از راه‌های امیدوارکننده در این زمینه، کاهش الکتروشیمیایی است. در این روش که با استفاده از کاتالیزورها انجام می‌شود، CO2 به موادی مثل منوکسید کربن (CO)، متان (CH4)، اتانول (C₂H₆O) یا اسید فرمیک (HCOOH) تبدیل می‌گردد.

با این حال، برای رسیدن به تولید صنعتی مقادیر زیاد از این مواد، چالش‌هایی پیش رو است. این به خاطر آن است که در فرآیند کاهش CO2، واکنش می‌تواند به راه‌های متفاوتی برود و محصولات گوناگونی تولید شود. به همین دلیل، دانشمندان در حال آزمایش روش‌هایی هستند که مسیر واکنش‌ها را تحت تأثیر قرار دهند و احتمال تولید محصولات مورد نظر را افزایش دهند.

گروهی از پژوهشگران از دانشگاه توهوکو، دانشگاه علوم توکیو و دانشگاه وندربیلت به سراغ فلز مس رفته‌اند و از آن به عنوان کاتالیزور در کاهش الکتروشیمیایی CO2 استفاده کرده‌اند تا بتوانند نوع محصول تولیدی را کنترل کنند. آن‌ها با دستکاری ساختار مس در مقیاس نانو (خیلی ریز)، موفق شدند خوشه‌های اتمی مس را با اندازه‌ای کمتر از ۲ نانومتر ایجاد کنند که این کار، بازدهی کاتالیزور را به طور چشمگیری افزایش داد.

نتایج این تحقیقات در تاریخ ۲۸ نوامبر ۲۰۲۴ در مجلهٔ Small Science به چاپ رسید.

نانوکلاسترهای مسی: کاتالیزورهای ارزان‌قیمت برای کاهش CO2 کشف شدند

پروفسور یویچی نِگیشی، از مؤسسه تحقیقات مواد پیشرفته دانشگاه توهوکو، می‌گوید: “ما نانوخوشه‌های مسی‌ای که با ایجاد نقص در ساختارشان به دست آمده بودند را مورد بررسی قرار دادیم؛ اینها جایگزین ارزان‌تری برای نانوخوشه‌های فلزات گران‌بها هستند. ما این نانوخوشه‌ها را به گونه‌ای طراحی کردیم که موادی با چگالی انرژی بالا تولید کنند.”

تیم تحقیق با ایجاد نقاط فعال از طریق نقص‌های عمدی در ساختار بلوری مس، عملکرد نانوخوشه‌ها را بهبود بخشید. با اندکی جابه‌جایی اتم‌های مس، آن‌ها مانع اتصال مولکول‌های محافظ سطح به نواحی خاصی شدند و این نقاط را در دسترس قرار دادند. این اتم‌های جابه‌جا شده، نه تنها در گوشه‌های بلور، بلکه در امتداد لبه‌ها هم ظاهر شدند و یک شبکه‌ی ایده‌آل از نقاط فعال برای واکنش کاهش CO2 ساختند.

این آرایش خاص از اتم‌های مس، به تیم اجازه داد تا واکنش را به طور مؤثرتری هدایت کرده و انتخاب‌پذیری (انتخاب محصول نهایی) و راندمان تولید را بهبود بخشند. آزمایش‌ها نشان داد که نانوخوشه‌هایی با یک راس (گوشه) تغییر یافته، تمایل زیادی به تولید متانول (CH₃OH) دارند. اما با افزایش تعداد این نقص‌ها، جهت‌گیری واکنش به سمت تولید مواد گوناگون تغییر کرد.

نگیشی اضافه می‌کند: “تحقیقات ما پتانسیل نانوخوشه‌های مسی را به عنوان یک کاتالیزور ارزان‌قیمت برای کاهش CO2 نشان می‌دهد و تأکید می‌کند که چطور طراحی ساختاری آن‌ها بر نوع محصول نهایی تأثیر می‌گذارد.” این پیشرفت‌ها می‌تواند به توسعه‌ی مواد نوآورانه از منابع در دسترس کمک کرده و راه را برای آینده‌ای پایدارتر هموار کند.