تبدیل دی‌اکسید کربن (CO2) به سوخت‌های پاک و پایدار مدت‌ها یکی از بزرگ‌ترین چالش‌های علم و صنعت انرژی بوده است، چرا که این فرایند هم به فناوری‌های پیشرفته نیاز دارد و هم به کاتالیزورهایی مقاوم و کارآمد تا بتواند در شرایط صنعتی و با هزینه مناسب عمل کند. اکنون محققان کره‌‌جنوبی با ساخت یک کاتالیزور جدید مبتنی بر مس، منیزیم و آهن موفق شده‌اند مسیر تولید سوخت‌های مصنوعی را سریع‌تر، ارزان‌تر و با بازدهی بالاتر فراهم کنند. این پیشرفت نه تنها یک گام مهم در مبارزه با تغییرات اقلیمی به شمار می‌رود، بلکه چشم‌انداز تولید صنعتی سوخت‌های دوستدار محیط زیست را هم کاملاً تغییر می‌دهد. این کاتالیزور جدید می‌تواند CO2 را در دمای پایین به مونوکسید کربن (CO) تبدیل کند و عملکردی پایدار و بسیار کارآمد از خود نشان دهد؛ موضوعی که تولید مقرون‌به‌صرفه و در مقیاس صنعتی سوخت‌های سنتتیک کربن‌خنثی را ممکن می‌سازد.
این دستاورد همچنین نمونه‌ای از نوآوری‌های علمی مورد توجه «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» است، زیرا پایه‌های علمی آن بر درک عمیق واکنش‌های شیمیایی و طراحی مواد کاتالیزوری استوار است و در عین حال جنبه‌های کاربردی و صنعتی آن مسیر توسعه فناوری‌های پایدار و کسب‌وکارهای نوآورانه را نیز روشن می‌کند.
پیشگامان تحقیق و اهمیت جهانی دستاورد
تیمی از دانشمندان به رهبری دکتر کی یانگ کو از دپارتمان تحقیق هیدروژن در مؤسسه تحقیقات انرژی کره (KIER) این کاتالیزور پیشرفته را توسعه داده‌اند که نتیجه تحقیقات عمیق در علوم پایه شیمی و مواد است. این کاتالیزور نه تنها قادر است دی‌اکسید کربن، یکی از گازهای اصلی گلخانه‌ای، را به مواد اولیه حیاتی برای تولید سوخت‌های پایدار تبدیل کند، بلکه با استفاده از فلزات ارزان و فراوان، امکان مقیاس‌پذیری صنعتی و کاربرد اقتصادی آن را نیز فراهم می‌آورد. این دستاورد نشان می‌دهد که پایه‌های علمی قوی می‌توانند مستقیماً به راهکارهای عملی برای تولید سوخت‌های پاک و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای منجر شوند و نمونه‌ای روشن از اهمیت تلفیق علوم پایه با نوآوری‌های صنعتی به شمار می‌رود.
واکنش معکوس گاز-آب: کلید تولید سوخت پایدار
واکنش معکوس گاز-آب یا RWGS یک فرایند شیمیایی است که طی آن دی‌اکسید کربن (CO2) با هیدروژن واکنش می‌دهد و به مونوکسید کربن (CO) و آب تبدیل می‌شود. مونوکسید کربن تولید شده، ماده اولیه مهمی برای ساخت سینگاس است؛ سینگاس خود پایه اصلی سوخت‌های سنتتیک مانند e-fuel و متانول محسوب می‌شود. به همین دلیل، این واکنش به دلیل توانایی تبدیل CO2 به سوخت قابل استفاده، یکی از مسیرهای کلیدی در تولید انرژی پایدار به شمار می‌رود.
با این حال، انجام واکنش RWGS در دماهای پایین با چالش‌های زیادی همراه است. کاتالیزورهای سنتی نیکل فقط در دماهای بالای ۸۰۰ درجه سانتی‌گراد عملکرد مناسبی دارند، اما در این شرایط ذرات نیکل به هم می‌چسبند و کارایی کاهش می‌یابد. اگر بخواهیم واکنش را در دماهای پایین‌تر انجام دهیم، معمولاً محصولات جانبی ناخواسته مانند متان تولید می‌شوند و میزان تولید CO کاهش پیدا می‌کند. این چالش‌ها همان مسائلی هستند که جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان در حوزه علوم پایه به دنبال حل آن‌ها است؛ ایجاد نوآوری‌هایی که بتوانند فرایندهای شیمیایی پیچیده را کارآمدتر و پایدارتر کنند، نمونه‌ای از کاربرد مستقیم پژوهش‌های علمی در حل مشکلات واقعی جهان است.
کاتالیزور مس کره‌ای: تحول در دماهای پایین
تیم تحقیقاتی به سرپرستی دکتر کی یانگ کو در مؤسسه تحقیقات انرژی کره (KIER) موفق شده‌اند با طراحی یک کاتالیزور مبتنی بر مس، منیزیم و آهن، محدودیت‌های واکنش در دمای پایین را برطرف کنند. این کاتالیزور جدید می‌تواند CO2 را در دمای تنها ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد به مونوکسید کربن تبدیل کند، بدون آنکه محصولات جانبی ناخواسته مانند متان تولید شود. این دما تقریباً نصف دمای مورد نیاز برای کاتالیزورهای نیکل است و در نتیجه مصرف انرژی به میزان قابل توجهی کاهش می‌یابد. یکی از ویژگی‌های خاص این کاتالیزور، ساختار لایه‌ای آن است که با نام LDH (لایه‌های دوگانه هیدروکسید) شناخته می‌شود. این ساختار شامل ورقه‌های نازک فلزی است که بین آن‌ها مولکول‌های آب و یون‌ها قرار دارند. با تنظیم نسبت فلزات مس، آهن و منیزیم، محققان توانسته‌اند از به هم چسبیدن ذرات مس جلوگیری کنند و پایداری حرارتی کاتالیزور را به شکل چشمگیری افزایش دهند.
سرعت و بازدهی بی‌سابقه
عملکرد کاتالیزور جدید مس در آزمایش‌ها واقعاً چشمگیر بوده است. در دمای ۴۰۰ درجه سانتی‌گراد، این کاتالیزور توانسته است با بازده ۳۳.۴٪ و سرعت تولید ۲۲۳.۷ میکرومول بر گرم کاتالیزور در هر ثانیه (μmol·gcat⁻¹·s⁻¹) مونوکسید کربن تولید کند، رقمی که نه تنها از کاتالیزورهای مس تجاری بهتر است، بلکه حتی از کاتالیزورهای پلاتین گران‌قیمت نیز فراتر رفته است. مسیر مستقیم تبدیل CO2 به CO در این کاتالیزور، بدون ایجاد واسطه‌های فرمات که معمولاً منجر به تولید متان و دیگر محصولات جانبی می‌شوند، نشان‌دهنده بهره‌گیری دقیق از اصول علوم پایه (شیمی، فیزیک و علم مواد) در طراحی ساختار لایه‌ای کاتالیزور است؛ همین طراحی هوشمندانه است که بازده بالا و پایداری طولانی‌مدت را در دمای پایین ممکن کرده است.
اهمیت جهانی و کاربردهای صنعتی
این دستاورد تنها در محیط آزمایشگاه اهمیت ندارد، بلکه چشم‌انداز صنعتی آن نیز بسیار امیدوارکننده است. تولید e-fuel یا سوخت‌های مصنوعی از CO2 و هیدروژن سبز می‌تواند جایگزین سوخت‌های فسیلی در بخش‌هایی شود که کاهش انتشار کربن در آن‌ها دشوار است، مانند هوانوردی و حمل و نقل دریایی. دکتر کی یانگ کو درباره اهمیت این فناوری می‌گوید: «این کاتالیزور امکان تولید موثر مونوکسید کربن با استفاده از فلزات ارزان و فراوان را فراهم می‌کند و می‌تواند مستقیماً در تولید مواد اولیه کلیدی برای سوخت‌های پایدار به کار گرفته شود. موفقیت این پروژه، نمونه‌ای از کاربرد عملی علوم پایه در حل مشکلات واقعی است؛ رویکردی که جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان نیز برای تشویق نوآوری‌های جوانان و حمایت از تحقیقات کاربردی به آن اهمیت می‌دهد. هدف ما این است که این فناوری را برای استفاده صنعتی توسعه دهیم و به کاهش انتشار کربن در سطح جهانی کمک کنیم.»
مزیت اقتصادی و محیط زیستی
یکی از بزرگ‌ترین چالش‌ها در تولید سوخت‌های سنتتیک، هزینه بالای کاتالیزورها و انرژی مورد نیاز برای انجام واکنش‌هاست. کاتالیزور مس-منیزیم-آهن با کاهش دمای عملیاتی تقریباً به نصف دمای مورد نیاز کاتالیزورهای سنتی، هم مصرف انرژی را کاهش می‌دهد و هم از فلزات ارزان قیمت استفاده می‌کند، در حالی که بازدهی بالاتری نسبت به کاتالیزورهای پلاتین دارد. نتیجه این است که تولید سوخت‌های پاک، هم مقرون‌به‌صرفه‌تر و هم در دسترس‌تر می‌شود.
از نظر محیط زیستی، این فناوری یک چرخه بازیافت برای CO2 ایجاد می‌کند. دی‌اکسید کربن، که یکی از گازهای اصلی ایجادکننده تغییرات اقلیمی است، به جای آزاد شدن در جو، به سوخت تبدیل می‌شود. این سوخت سپس می‌تواند در صنایع مختلف مورد استفاده قرار گیرد و در نتیجه چرخه انتشار کربن کاهش پیدا کند.
مسیر پیش رو
با وجود موفقیت‌های آزمایشگاهی، گام بعدی این است که کاتالیزور در مقیاس صنعتی و تحت شرایط واقعی تولید سوخت‌های پایدار مورد استفاده قرار گیرد. تیم تحقیقاتی KIER در حال بررسی و توسعه روش‌هایی برای افزایش مقیاس‌پذیری و پایداری طولانی‌مدت این کاتالیزور در محیط‌های صنعتی است. اگر این مسیر با موفقیت طی شود، تولید e-fuel از CO2 می‌تواند به سرعت به یکی از ستون‌های انرژی پایدار تبدیل شود و جایگزین سوخت‌های فسیلی شود، به‌ویژه در صنایع حمل و نقل که کاهش کربن در آن‌ها به سختی امکان‌پذیر است.
گام بعدی در مسیر انرژی پایدار
کشف کاتالیزور مس-منیزیم-آهن توسط محققان کره‌ای، یک نقطه عطف در مسیر تولید سوخت‌های مصنوعی پایدار است. این فناوری نه تنها در دمای پایین بازدهی بسیار بالایی دارد، بلکه با استفاده از فلزات ارزان و در دسترس، مصرف انرژی را کاهش می‌دهد. دستاوردی از این دست، نمونه‌ای از نوآوری‌های مبتنی بر علوم پایه است که نسل جوان محققان در عرصه‌های علمی، همان‌طور که در جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان تشویق می‌شود، می‌توانند با خلاقیت و تحقیق دقیق، به آن دست یابند. توسعه این فناوری نویدبخش تحقق تولید سوخت‌های پاک و کربن‌خنثی در مقیاس صنعتی است و نقش مهمی در کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای و مقابله با تغییرات اقلیمی ایفا می‌کند. این موفقیت نشان می‌دهد که ترکیب علوم پایه، تحقیق نوآورانه و مشارکت نسل جوان می‌تواند راهکارهای عملی برای بزرگ‌ترین چالش قرن ارائه دهد و مسیر تولید انرژی پایدار و پاک را هموار کند.
منبع: Science Daily
