ساخت کاتالیزور جدید برای تبدیل بهینه‌تر دی اکسید کربن جو زمین به بنزین

کاتالیزور جدید استنفورد می‌تواند به فرآیندهای تبدیل دی‌ اکسید‌کربن موجود در اتمسفر کره زمین به سوخت‌هایی همچون بنزین سرعت بخشیده و

حاصل ده‌ها سال فوتوسنتز و صدها هزار سال فشار و گرمای ناشی از فعالیت‌های زمین‌شناختی، تبدیل دی‌اکسید کربن جو زمین به زنجیره‌های طولانی از هیدروکربن‌هایی است که سوخت‌های فسیلی را می‌سازند.

اما انسان‌ها برای تبدیل دی‌اکسید‌کربن اضافی موجود در جو و تبدیل آن به هیدروکربن‌های مفید نمی‌توانند میلیون‌ها سال منتظر باشند؛ بااین‌حال پیشرفت‌های علم شیمی می‌تواند به ما در سرعت بخشیدن به بخشی از این فرایند کمک کند. دستاوردهای اخیر در زمینه‌ ساخت کاتالیزورهایی که می‌توانند دی‌اکسیدکربن را به مولکول‌های کربن‌دار تبدیل کنند، می‌تواند نوید‌بخش چشم‌انداز امیدوارکنند‌ه‌ای در زمینه‌ جمع‌آوری آلاینده‌های مضر از جو زمین و تبدیل آن به مواد قابل‌استفاده باشد. با این که هیدروکربن‌های تولید‌شده توسط کاتالیزورهای جدید از نوع زنجیر کوتاه هستند اما همین فرایند از تمام روش‌های پیشین در تبدیل دی‌اکسیدکربن به هیدروکربن‌ بازدهی بیشتری دارد.

در این فناوری که توسط مهندسان شیمی دانشگاه استنفورد ابداع شده، دی‌اکسید‌ کربن اضافی با مقدار مناسبی از هیدروژن ترکیب شده و زنجیره‌ای از مولکول‌های اتان، پروپان و حتی بوتان تشکیل می‌دهند، مولکول‌هایی که می‌توانند به منبع تولید سوخت‌های نسل جدید تبدیل شوند.

ماتئو کارنیلو مهندس شیمی دانشگاه استنفورد می‌گوید:

ما با این روش در اصل می‌توانیم بنزین تولید کنیم.

در سال‌های اخیر تلاش‌هایی برای ابداع روشی مقرون‌به‌صرفه برای استخراج کربن‌دی‌اکسید از جو و تبدیل آن به مواد مفیدی مانند سوخت یا پلاستیک صورت گرفته است، موادی که مردم مایل هستند برای خرید آن‌ها پول خرج کنند.

چالشی که دانشمندان با آن مواجه هستند، ابداع روشی است که حداقل بخشی کوچکی از میلیاردها تن کربن‌دی‌اکسیدی را که سالانه وارد جو زمین می‌شود، به روش‌های مختلف به مواد مفید تبدیل کند. برای اقتصادی بودن چنین روشی باید حداکثر مقدار ممکن از کربن‌دی‌اکسید موجود در گازهای حاصل از احتراق، جمع‌آوری شده و طی یک فرایند سریع و ارزان به مواد مورد نظر تبدیل شود. کارنیلو می‌گوید:

برای به دام انداختن حداکثر مقدار ممکن دی‌اکسیدکربن باید زنجیره‌ی هیدروکربنی شکل گرفته تا حد ممکن بزرگ باشد.

اما با استفاده از تکنولوژی‌های فعلی نمی‌توان زنجیره‌های طولانی از هیدروکربن تولید کرد. برای تشکیل زنجیره‌های هیدروکربنی طولانی‌ حرارت و فشار زیادی نیاز است، از این رو کارآمدی فرایند پایین می‌آید و هزینه‌‌ها سر به آسمان می‌گذارد.

کارنیلو و تیم تحقیقاتی او تمرکز خود را روی پلیمرهای ارگانیک معطوف کردند، موادی دارای منافذ زیاد که می‌توان با تغییر اندازه‌ی آن‌ها ساختاری مناسب برای به دام انداختن مولکول‌های کربن و ترکیب آن با هیدروژن و در نهایت تشکیل زنجیره‌ هیدروکربن تولید کرد.

در این فرایند از یک کاتالیزور فلزی دیگر برای سرعت‌دهی به فرایند استفاده می‌شود، این ماده ترکیبی از عنصر روتنیوم با تیتانیوم اکسید است. محققان می‌توانند با مدل‌سازی منافذ ساختارهای پلمیری بازدهی فرایند را به‌طور محسوسی افزایش دهند. نتیجه‌ کار خارق‌العاده بود، افزایش ۱۰ برابری جرم مولکولی زنجیره‌های کربنی، همچنین نرخ تولید زنجیره‌های چهار کربنی بوتان با استفاده از کاتالیزورهای پوشیده‌شده از پلیمرهای ارگانیک تا ۱۰۰۰ برابر افزایش یافته است.

چنگ‌شوئنگ ژو، دانشجوی دکترا که در آزمایشگاه کارنیلو فعالیت می‌کند در این مورد می‌گوید:

کاتالیزورهای بدون پوشش پلیمری میزان زیادی هیدروژن در سطح خود جذب می‌کند، درنتیجه قابلیت ماده برای به دام انداختن مولکول‌های کربن و ترکیب آن با هیدروژن را کاهش می‌دهد. اما وقتی سطح کاتالیزور با پلیمرهای منفذ‌دار پوشیده می‌شود می‌توان نرخ جذب مولکول‌های کربن و هیدروژن را متعادل کرده و زنجیر‌ه‌های طولانی‌تری از کربن را در همان واکنش‌ها تولید کنیم.

در حالت ایدئال هر میزانی از کربن که بتوان از اتمسفر زمین استخراج کرد باید به شکلی مطمئن مهار شود؛ یا به‌صورت تولید سوخت و دیگر مواد مصرفی یا مواد پایه‌ کربنی که مصرف خاصی برای آن‌ها وجود ندارد. تولید سوخت‌هایی با میزان انتشار کربن خالص صفر می‌تواند فرایند استخراج دی‌اسیدکربن و تولید سوخت را از لحاظ اقتصادی توجیه کند و از طرف دیگر به کنترل انتشار گازهای گلخانه‌ای کمک کند.

بوتان نسبت به دیگر هیدروکربن‌ها سنگین‌تر است و احتمال بخار شدن آن در دمای اتاق و نشت به اتمسفر به مانند دیگر هیدروکربن‌های زنجیر کوتاه زیاد نیست، از این رو تولید چنین هیدروکربی دستاورد مهمی برای محققان قلمداد می‌شود.

بااین‌حال با انجام تحقیقات بیشتر می‌توان از این فرایند شیمیایی برای تولید انواع پایدارتر هیدروکربن‌ها استفاده کرد، موادی که می‌توانند زیربنای تولید ساختارهای ماندگار و مفیدی برای انبار کردن ایمن مولکول‌های کربن باشند.

البته واضح است که شبیه‌سازی روش طبیعت در گرد‌آوری کربن و استفاده از آن در ساختارهای بیولوژیکی و ابداع فرآیندی مشابه آن اولویت اول محققان است؛ چه چیزی بهتر از تبدیل دی‌اکسیدکربن به انواع گیاهان و برگ‌های درختان برای فوتوسنتز بیشتر است؟ اما اگر ادامه‌ی روش‌های فعلی باعث کاهش وابستگی ما به سوخت‌های فسیلی در آینده شود، سرمایه‌گذاری در این فناوری قابل توجیه خواهد بود.