در حالی که جهان در تلاش برای کاهش انتشار گازهای گلخانه ای است، محققان به دنبال راه های عملی و مقرون به صرفه برای جذب دی اکسید کربن و تبدیل آن به محصولات مفید مانند سوخت های حمل و نقل، مواد خام شیمیایی یا حتی مصالح ساختمانی هستند. اما تاکنون، چنین تلاش هایی برای دستیابی به قابلیت اقتصادی با مشکل مواجه شده است.
تحقیقات جدید مهندسان MIT می تواند منجر به بهبود سریع در سیستم های مختلف الکتروشیمیایی در حال توسعه برای تبدیل دی اکسید کربن به یک کالای ارزشمند شود. این تیم طراحی جدیدی برای الکترودهای مورد استفاده در این سیستم ها ایجاد کرد که کارایی فرآیند تبدیل را افزایش می دهد.
این یافته ها امروز در مجله گزارش شده است ارتباطات طبیعتدر مقاله ای توسط دانشجوی دکترای MIT سایمون رافر، استاد مهندسی مکانیک کریپا واراناسی و سه نفر دیگر.
بنارس می گوید: «مشکل CO2 یک چالش بزرگ زمان ما است و ما از انواع اهرم ها برای حل و مقابله با این مشکل استفاده می کنیم. او می‌گوید یافتن راه‌های عملی برای حذف گاز از منابعی مانند گازهای گلخانه‌ای از نیروگاه‌ها یا مستقیماً از هوا یا اقیانوس‌ها ضروری است. اما پس از حذف CO2، باید به جایی برود.
واراناسی می گوید که سیستم های بسیار متنوعی برای تبدیل این گاز به دام افتاده به یک محصول شیمیایی مفید توسعه یافته اند. “این نیست که ما نمی توانیم آن را انجام دهیم – ما می توانیم آن را انجام دهیم. اما سوال اینجاست که چگونه می توانیم این کار را به طور موثر انجام دهیم؟ چگونه می توانیم این کار را مقرون به صرفه کنیم؟
در مطالعه جدید، تیم بر تبدیل الکتروشیمیایی CO2 به اتیلن متمرکز شد، یک ماده شیمیایی پرکاربرد که می تواند به پلاستیک های مختلف و همچنین سوخت تبدیل شود و امروزه از نفت ساخته می شود. محققان می گویند، اما رویکردی که آنها توسعه دادند می تواند برای تولید سایر محصولات شیمیایی با ارزش از جمله متان، متانول، مونوکسید کربن و غیره نیز اعمال شود.
اتیلن در حال حاضر حدود 1000 دلار در هر تن به فروش می رسد، بنابراین هدف این است که بتوانیم به این قیمت برسیم یا از آن عبور کنیم. فرآیند الکتروشیمیایی که CO2 را به اتیلن تبدیل می کند، شامل یک محلول مبتنی بر آب و مواد کاتالیزوری است که با یک جریان الکتریکی در دستگاهی به نام الکترود انتشار گاز در تماس است.
دو ویژگی رقیب مواد الکترود پخش گاز وجود دارد که بر عملکرد آنها تأثیر می گذارد: آنها باید رسانای الکتریکی خوبی باشند تا جریانی که فرآیند را به حرکت در می آورد از طریق گرمایش مقاومتی از بین نرود، اما همچنین باید “آب گریز” یا دافع آب باشند تا محلول الکترولیت مبتنی بر آب به بیرون نشت نمی کند و با واکنش های روی سطح الکترود تداخل نمی کند.
متأسفانه، این یک معامله است. بهبود رسانایی آب گریزی را کاهش می دهد و بالعکس. بنارس و تیمش برای اینکه ببینند آیا می توانند از این درگیری عبور کنند یا نه، و بعد از چندین ماه کار، این کار را انجام دادند.
راه حل توسعه یافته توسط Rufer و Varanasi در سادگی خود ظریف است. آنها از یک ماده پلاستیکی، PTFE (در اصل تفلون) استفاده کردند که خواص آبگریز خوبی دارد. با این حال، عدم رسانایی PTFE به این معنی است که الکترون ها باید از یک لایه بسیار نازک کاتالیزور عبور کنند و در نتیجه افت ولتاژ قابل توجهی با فاصله ایجاد می شود. برای غلبه بر این محدودیت، محققان مجموعه ای از سیم های مسی رسانا را از طریق ورق بسیار نازک PTFE بافته اند.
بنارس می‌گوید: «این کار واقعاً به این چالش پرداخت، زیرا اکنون می‌توانیم هم رسانایی و هم آبگریزی را داشته باشیم.
مطالعات سیستم های تبدیل کربن بالقوه معمولاً بر روی نمونه های بسیار کوچک در مقیاس آزمایشگاهی، معمولاً کمتر از 1 اینچ (2.5 سانتی متر) مربع انجام می شود. برای نشان دادن پتانسیل پوسته‌گیری، تیم بنارس ورقی با مساحت 10 برابر ایجاد کرد و عملکرد کارآمد خود را نشان داد.
برای رسیدن به این نقطه، آنها باید آزمایش‌های اولیه‌ای را انجام می‌دادند که ظاهراً قبلاً هرگز انجام نشده بود، آزمایش‌هایی را در شرایط یکسان اما با استفاده از الکترودهایی با اندازه‌های مختلف برای تجزیه و تحلیل رابطه بین رسانایی و اندازه الکترود انجام دادند. آنها دریافتند که رسانایی به طور چشمگیری با اندازه کاهش می یابد، که به این معنی است که انرژی بسیار بیشتر و در نتیجه هزینه برای هدایت واکنش مورد نیاز است.
رافر می‌گوید: «این دقیقاً همان چیزی است که ما انتظار داریم، اما این چیزی بود که قبلاً هیچ‌کس به طور هدفمند به آن نگاه نکرده بود. علاوه بر این، اندازه های بزرگتر علاوه بر اتیلن مورد نظر، محصولات جانبی شیمیایی ناخواسته بیشتری تولید می کنند.
به گفته محققان، کاربردهای صنعتی در دنیای واقعی به الکترودهایی نیاز دارند که شاید 100 برابر بزرگتر از نسخه های آزمایشگاهی باشند، بنابراین افزودن سیم های رسانا برای کاربردی کردن چنین سیستم هایی ضروری است. آنها همچنین مدلی را توسعه دادند که تغییر فضایی در ولتاژ و توزیع محصول بر روی الکترودها به دلیل تلفات اهمی را نشان می دهد. این مدل به همراه داده‌های تجربی که جمع‌آوری کردند، به آنها این امکان را داد که فاصله بهینه سیم‌های رسانا را برای مقابله با افت رسانایی محاسبه کنند.
در واقع، با بافتن سیم از میان مواد، مواد به بخش های فرعی کوچکتری که با فاصله بین سیم ها تعیین می شود، تقسیم می شود. رافر می‌گوید: «ما آن را به دسته‌ای از زیربخش‌های کوچک تقسیم می‌کنیم، که هر کدام عملاً الکترود کوچکتری هستند. و همانطور که دیدیم، الکترودهای کوچک می توانند واقعا خوب کار کنند.
از آنجایی که سیم مسی رسانایی بسیار بیشتری نسبت به مواد PTFE دارد، به عنوان نوعی بزرگراه برای الکترون‌هایی که از آن عبور می‌کنند عمل می‌کند و نواحی را که در آنها محدود به زیرلایه هستند و با مقاومت بیشتری روبرو می‌شوند، به هم متصل می‌کند.
برای نشان دادن پایداری سیستم آنها، محققان یک الکترود آزمایشی را به مدت 75 ساعت به طور پیوسته اجرا کردند، با تغییر کمی در عملکرد. به طور کلی، Rufer می‌گوید، سیستم آنها «اولین الکترود مبتنی بر PTFE است که از مقیاس آزمایشگاهی در حدود 5 سانتی‌متر یا کوچک‌تر فراتر می‌رود. این اولین کاری است که در مقیاسی بسیار بزرگتر و بدون کاهش کارایی انجام شده است.
او اضافه می‌کند که فرآیند بافندگی مفتول را می‌توان به راحتی در فرآیندهای تولید موجود، حتی در یک فرآیند رول به رول در مقیاس بزرگ، ادغام کرد.
رافر می گوید: «رویکرد ما بسیار قدرتمند است زیرا هیچ ارتباطی با کاتالیزور واقعی مورد استفاده ندارد. “شما می توانید این سیم مسی میکرومتری را به هر الکترود انتشار گازی که می خواهید بدوزید، صرف نظر از مورفولوژی یا شیمی کاتالیزور. بنابراین می توان از این رویکرد برای مقیاس بندی الکترود استفاده کرد.
بنارس می گوید: «با توجه به اینکه برای مبارزه با چالش CO2 نیاز به پردازش گیگاتون دی اکسید کربن در سال داریم، واقعاً باید به راه حل هایی فکر کنیم که می توانند مقیاس شوند. شروع با این طرز فکر به ما امکان می‌دهد تا موانع حیاتی را شناسایی کرده و رویکردهای نوآورانه‌ای را توسعه دهیم که می‌تواند تأثیر معناداری بر حل مشکل داشته باشد.» الکترود رسانای سلسله مراتبی ما نتیجه چنین تفکری است.
تیم تحقیقاتی شامل دانشجویان فارغ التحصیل MIT مایکل نیتزچه و سانجی گاریملا و همچنین دکترای جک لیک ’23 بود. این کار توسط شل از طریق ابتکار انرژی MIT پشتیبانی شد.
