المادة الكربونية الجديدة: احتجاز الكربون بتكلفة أقل

تعتبر المواد الكربونية الجديدة خطوة هامة نحو تحسين تكنولوجيا احتجاز الكربون. في هذا المقال، نستعرض كيف يمكن لهذه المواد أن تخفض التكاليف وتزيد الكفاءة.

يمكن لهذه المادة الكربونية الجديدة أن تجعل احتجاز الكربون أقل تكلفة بكثير

يعد إيقاف ثاني أكسيد الكربون (CO2) قبل دخوله الغلاف الجوي وسيلة حاسمة لخفض انبعاثات الغازات الدفيئة. على الرغم من أن احتجاز الكربون موجود منذ سنوات عديدة، إلا أنه لم يتم اعتماده على نطاق واسع لأن معظم الأنظمة مكلفة وغير فعالة. يتطلب النهج الصناعي الشائع، وهو الغسل الأميني المائي، تسخين كميات كبيرة من السائل إلى درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية لتحرير ثاني أكسيد الكربون المحتجز وإعادة استخدام المحلول. يؤدي هذا الطلب المرتفع على الطاقة إلى ارتفاع تكاليف التشغيل ويجعل الاستخدام على نطاق واسع أمرًا صعبًا.

المواد الكربونية الصلبة كخيار بديل

لقد اكتسبت المواد الكربونية الصلبة الاهتمام كخيار أكثر عملية. هذه المواد غير مكلفة نسبيًا ولها مساحة سطحية كبيرة تسمح لها بحبس ثاني أكسيد الكربون. ويمكنها أيضًا إطلاق الغاز باستخدام حرارة أقل، خاصة عندما تحتوي على مجموعات وظيفية تعتمد على النيتروجين. ومع ذلك، كان هناك قيود رئيسية. تضع طرق التصنيع التقليدية مجموعات النيتروجين هذه بشكل عشوائي عبر المادة، مما يجعل من الصعب تحديد الترتيبات المحددة التي تؤدي إلى أداء أفضل.

تطوير Viciazites

ولمواجهة هذا التحدي، قام فريق بحث بقيادة البروفيسور المشارك ياسوهيرو يامادا من كلية الدراسات العليا للهندسة والأستاذ المشارك تومونوري أوبا من كلية الدراسات العليا للعلوم في جامعة تشيبا باليابان، بتطوير نوع جديد من مادة الكربون تسمى “viciazites”. تم تصميم هذه المواد بحيث يتم وضع مجموعات النيتروجين بجانب بعضها البعض بطريقة يمكن التحكم فيها. الدراسة التي نشرت في المجلة الكربون، شارك في تأليفها السيد كوتا كوندو، وهو أيضًا من جامعة تشيبا.

بناء Viciazites مع الاقتران بالنيتروجين المتحكم فيه

ابتكر الباحثون ثلاثة إصدارات مختلفة من الفيسيازيت، لكل منها نوع فريد من تكوين النيتروجين المجاور. لإنتاج مجموعات أمين أولية مجاورة (مجموعات -NH2)، قاموا أولاً بتسخين مركب يسمى كورونين، ثم معالجته بالبروم، يليه غاز الأمونيا. حققت هذه الطريقة المكونة من ثلاث خطوات انتقائية بنسبة 76%، مما يعني أن معظم ذرات النيتروجين تم وضعها في المواضع المقصودة.

تم إنتاج مادتين إضافيتين باستخدام مركبات بداية مختلفة. يتميز أحدهما بوجود نيتروجين بيرولي مجاور بنسبة انتقائية 82%، بينما يحتوي الآخر على نيتروجين بيريديني مجاور بنسبة انتقائية 60%.

التحقق من الهيكل واختبار الأداء

تم تطبيق كل مادة على ألياف الكربون المنشط لإنشاء عينات قابلة للاستخدام. وأكد الفريق الموضع الدقيق لمجموعات النيتروجين باستخدام تقنيات مثل التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي، والتحليل الطيفي الضوئي للأشعة السينية، والنمذجة الحاسوبية. أثبتت هذه الطرق أن ذرات النيتروجين تم وضعها جنبًا إلى جنب بدلاً من توزيعها عشوائيًا.

عند اختبارها، أظهرت المواد اختلافات واضحة في الأداء. التقطت العينات التي تحتوي على مجموعات NH2 المجاورة والنيتروجين الحراري كمية أكبر من ثاني أكسيد الكربون مقارنة بألياف الكربون غير المعالجة. في المقابل، لم يقدم تكوين النيتروجين البيريديني سوى تحسن طفيف.

إطلاق ثاني أكسيد الكربون في درجات الحرارة المنخفضة

وكان الاكتشاف الأكثر بروزًا هو مدى سهولة إطلاق المواد لثاني أكسيد الكربون. “أظهر تقييم الأداء أنه في المواد الكربونية حيث يتم إدخال مجموعات NH2 بشكل متجاور، فإن معظم ثاني أكسيد الكربون الممتز يمتص عند درجات حرارة أقل من 60 درجة مئوية. ومن خلال الجمع بين هذه الخاصية وحرارة النفايات الصناعية، قد يكون من الممكن تحقيق عمليات احتجاز فعالة لثاني أكسيد الكربون مع انخفاض كبير في تكاليف التشغيل”، يوضح الدكتور يامادا.

تتطلب المادة التي تحتوي على النيتروجين البيروليكي درجات حرارة أعلى لإطلاق ثاني أكسيد الكربون، ولكنها قد توفر استقرارًا أفضل على المدى الطويل بسبب تركيبها الكيميائي الأقوى.

استراتيجية جديدة لاحتجاز الكربون

يوضح هذا العمل أن ترتيب مجموعات النيتروجين في أنماط متجاورة محددة يمكن إجراؤه بشكل موثوق، مما يوفر استراتيجية واضحة لتصميم مواد محسنة لاحتجاز الكربون. ويختتم الدكتور يامادا حديثه قائلاً: “إن دافعنا هو المساهمة في مجتمع المستقبل والاستفادة من مواد الكربون التي تم تطويرها مؤخرًا مع هياكل خاضعة للرقابة. ويوفر هذا العمل مسارات معتمدة لتجميع مواد كربونية مصممة ومطعمة بالنيتروجين، مما يوفر التحكم على المستوى الجزيئي الضروري لتطوير تقنيات احتجاز ثاني أكسيد الكربون المتقدمة والفعالة من حيث التكلفة من الجيل التالي”.

بالإضافة إلى احتجاز ثاني أكسيد الكربون، يمكن أيضًا استخدام مواد الفيسيازيت هذه في تطبيقات أخرى، بما في ذلك إزالة أيونات المعادن أو العمل كمحفزات، وذلك بفضل خصائص سطحها القابلة للتخصيص.

الدعم والتمويل

تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة موكاي للعلوم والتكنولوجيا، والجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (رقم المنحة JSPS KAKENHI JP24K01251)، و”البنية التحتية للبحوث المتقدمة للمواد وتكنولوجيا النانو في اليابان (ARIM)” التابعة لوزارة التعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا (MEXT) تحت رقم المنحة JPMXP1225JI0008.

المصدر :- Health & Medicine News — ScienceDaily

تتجه الأبحاث نحو تطوير مواد كربونية مبتكرة، مما يفتح آفاق جديدة في مجال احتجاز الكربون. تابعونا للمزيد من الأخبار والتطورات في هذا المجال.