دانشمندان یک الکترود سهلایه طراحی کردهاند که گازهای آلاینده را مستقیماً به مادهای صنعتی و ارزشمند تبدیل میکند و مسیر تازهای برای کاهش آلایندهها و بازیافت کربن فراهم کرده است.
چالشهای CO₂ و اهمیت فناوریهای نوین
در دنیای امروز، دیاکسید کربن (CO₂) یکی از اصلیترین عوامل تغییرات اقلیمی و آلودگی هوا به شمار میرود. گازهای خروجی حاصل از شوفاژهای خانگی، شومینهها و صنایع حجم بالایی CO₂ را وارد جو میکنند. کاهش این آلایندهها یکی از اولویتهای مهم در حفاظت از محیط زیست و انرژی پاک است و دانشمندان در سراسر جهان به دنبال راهکارهای عملی و مؤثر هستند.
در همین راستا، «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» با حمایت از پژوهشگران برای ارائه راهکارهای عملی و نوآورانه برای مقابله با انتشار CO₂، بستری برای نمایش فناوریهای آیندهنگر و تحقیقات علمی تأثیرگذار در حوزه محیط زیست و انرژی پاک فراهم میکند.
الکترود سهلایه؛ راهکاری نوین برای تبدیل CO₂ به مواد ارزشمند
دانشمندان اخیراً موفق به توسعه یک فناوری نوآورانه شدهاند که میتواند این گاز را مستقیماً جذب و به اسید فرمیک تبدیل کند؛ مادهای که در صنایع شیمیایی، سلولهای سوختی و تولید انرژی پاک کاربرد دارد. این موفقیت نتیجه سالها تحقیق در حوزه علومپایه، از جمله شیمی کاتالیزوری، مواد پیشرفته و مهندسی الکترودها است. این سیستم مبتنی بر یک الکترود سهلایه پیشرفته است که گاز را عبور میدهد، CO₂ را به دام میاندازد و همزمان آن را تبدیل میکند.
پژوهشگران این مطالعه، که نتایج آن در نشریه معتبر ACS Energy Letters منتشر شده است، تأکید میکنند که فناوری آنها نیازی به جداسازی یا خالصسازی پیشرفته CO₂ ندارد و حتی در غلظتهای معمول هوای محیطی عملکرد بالایی دارد. این پیشرفت نمونهای از یکپارچهسازی جذب و تبدیل کربن در یک فرآیند عملی و اقتصادی است و مسیر تازهای برای کاهش آلایندهها و بازیافت موثر کربن ایجاد میکند. CO₂ دیگر تنها یک آلاینده نیست؛ این سیستم نشان میدهد که میتوان آن را به منبعی ارزشمند برای صنایع و تولید انرژی پاک تبدیل کرد و نقش علم و مهندسی در ارائه راهکارهای عملی و اثرگذار برای محیط زیست را برجسته میکند.
مشکل اصلی در تبدیل CO₂: چرا بازیافت کربن دشوار است؟
جذب دیاکسید کربن (CO₂) از هوا ممکن است در نگاه اول ساده به نظر برسد، چرا که گیاهان این فرآیند را بهطور طبیعی انجام میدهند و به نوعی نمونهای از عملکرد بیولوژیکی پایدار را ارائه میکنند. اما چالش واقعی زمانی ظاهر میشود که هدف تبدیل این گاز به یک ماده مفید و کاربردی باشد؛ مرحلهای که برای توسعه و گسترش فناوریهای جذب کربن و استفاده عملی از آن در محیطهای صنعتی حیاتی است. بدون تبدیل CO₂ به محصولات ارزشمند، حتی بهترین سیستمهای جذب نیز تنها میتوانند کربن را ذخیره کنند و اثر واقعی روی کاهش آلایندهها و کمک به محیط زیست نخواهند داشت.
در شرایط واقعی صنعتی، گازهای خروجی که حاوی CO₂ هستند، معمولاً ترکیبی پیچیده از نیتروژن، اکسیژن و سایر گازها را در بر دارند. این موضوع باعث میشود که بسیاری از سیستمهای سنتی تبدیل CO₂ تنها زمانی کارآمد باشند که دیاکسید کربن از پیش جدا و غلیظ شده باشد، امری که محدودیتهای عملیاتی و اقتصادی قابل توجهی ایجاد میکند. به عبارت دیگر، جداسازی و خالصسازی CO₂ قبل از تبدیل، نه تنها نیازمند تجهیزات اضافی و پرهزینه است، بلکه کارایی فرآیند و امکان پیادهسازی آن در مقیاس صنعتی را نیز کاهش میدهد.
راهکار عملی برای تبدیل CO₂ در شرایط واقعی صنعتی
برای غلبه بر محدودیتهای فناوریهای سنتی، دونگلای پان، میونگ هوان او و وانیونگ چو و همکارانشان سیستمی نوآورانه طراحی کردند که قادر است در شرایط واقعی تولید گاز خروجی فعالیت کند. هدف آنها ایجاد دستگاهی بود که بتواند CO₂ را همانطور که از منابع مختلف منتشر میشود جذب کرده و حتی مقادیر کم این گاز را به محصولی ارزشمند تبدیل کند. این فناوری نمونهای برجسته از کاربرد مستقیم پژوهشهای علومپایه در توسعه فناوریهای عملی و مؤثر است و نشان میدهد که چگونه میتوان با نوآوری علمی، راهکارهای واقعی برای کاهش آلایندهها و حفاظت از محیط زیست ارائه داد. با استفاده از این سیستم، صنایع میتوانند CO₂ را نه تنها به عنوان یک آلاینده، بلکه به عنوان منبعی ارزشمند برای تولید انرژی پاک و مواد شیمیایی صنعتی مورد بهرهبرداری قرار دهند.
طراحی و عملکرد الکترود سهلایه
تیم تحقیقاتی، شامل دونگلای پان، میونگ هوان او و وانیونگ چو، الکترودی ساخت که میتواند گاز را عبور دهد، CO₂ را جذب کند و همزمان آن را تبدیل نماید. این الکترود از سه لایه تشکیل شده است:
- لایه جذب CO₂: مسئول گرفتن دیاکسید کربن از جریان گاز
- ورق کربنی قابل عبور گاز: توزیع یکنواخت گاز در سراسر الکترود
- لایه کاتالیزوری اکسید قلع (IV): تبدیل CO₂ به اسید فرمیک
ترکیب این سه لایه باعث میشود که فرآیند تبدیل CO₂ به اسید فرمیک به صورت مستقیم و کارآمد انجام شود.
اختراعاتی از این دست، که با هدف حل چالشهای جهانی مانند آلودگی هوا و تغییرات اقلیمی طراحی شدهاند، همواره مورد توجه و حمایت «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» قرار میگیرند و نمونهای از فناوریهای علمی نوآورانه هستند که مسیر تازهای برای کاهش آلایندهها و توسعه انرژی پاک فراهم میکنند.
چرا اسید فرمیک ارزشمند است؟
اسید فرمیک مادهای صنعتی است که کاربردهای گستردهای دارد:
- سلولهای سوختی و انرژی پاک
- تولید مواد شیمیایی و افزودنیها
- کشاورزی به عنوان نگهدارنده و ضدعفونیکننده
تولید مستقیم آن از گازهای خروجی میتواند استفاده مجدد از کربن را عملیتر و اقتصادیتر کند.
جدول مقایسه عملکرد الکترود
| نوع الکترود | شرایط آزمایش | بازده تبدیل CO₂ | عملکرد در گاز خروجی شبیهسازیشده |
| الکترود جدید سهلایه | CO₂ خالص | +40٪ نسبت به الکترودهای قدیمی | تولید قابل توجه اسید فرمیک |
| فناوری سنتی | CO₂ خالص | پایه | تولید کم اسید فرمیک |
| فناوری سنتی | گاز خروجی مخلوط (15٪ CO₂، 8٪ O₂، 77٪ N₂) | پایین | تولید ناچیز |
الکترود جدید حتی در گاز خروجی شبیهسازیشده که شامل ۱۵٪ CO₂، ۸٪ اکسیژن و ۷۷٪ نیتروژن بود، مقادیر قابل توجهی اسید فرمیک تولید کرد. فناوریهای سنتی در چنین شرایطی تقریباً هیچ محصولی تولید نمیکنند.
این الکترود همچنین توانست CO₂ را در سطح هوای محیطی جذب کند، که نشاندهنده کارکرد در شرایط طبیعی و شهری است.
اهمیت صنعتی و زیستمحیطی
این فناوری مسیر جدیدی برای یکپارچهسازی جذب کربن در صنایع واقعی ایجاد میکند. با بهکارگیری این سیستم:
- انتشار CO₂ کاهش مییابد
- بازیافت کربن عملی و مقرونبهصرفه میشود
- فرآیندهای پیچیده و هزینهبر کاهش مییابد
پژوهشگران معتقدند طراحیهای مشابه میتواند برای سایر گازهای گلخانهای، مانند متان، نیز به کار رود.
نگاه به آینده
ادغام علومپایه و فناوریهای نوآورانه برای حل مشکلات واقعی نشان میدهد که میتوان از گازهای آلاینده CO₂، مواد مفید و ارزشمند تولید کرد. این نوع نوآوریها، که محور حمایت «جشنواره اندیشمندان و دانشمندان جوان» بودهاند، مسیر تولید انرژی پاک، کاهش تغییرات اقلیمی و توسعه صنایع پایدار را هموار میکنند.
با توسعه و پیادهسازی فناوریهای مشابه، صنایع و شهرها میتوانند به تدریج سیستمهای جذب و بازیافت کربن را در فرآیندهای خود به کار گیرند و CO₂ را از یک زباله زیستمحیطی به یک منبع صنعتی ارزشمند تبدیل کنند. این روند نشان میدهد که ترکیب تحقیقات علوم پایه و فناوریهای کاربردی میتواند راهکاری عملی و مؤثر برای کاهش آلایندهها، ارتقای بهرهوری انرژی و ایجاد صنایع سبز و پایدار ارائه دهد.
منبع: Science Daily
