برگ مصنوعی خورشیدی دی‌اکسیدکربن را به سوخت مایع تبدیل کرد

محققان دانشگاه ییل موفق به توسعه یک سامانه خورشیدی نوآورانه شده‌اند که قادر است دی‌اکسیدکربن و آب را مستقیما به متانول تبدیل کند؛ دستاوردی که گامی مهم در مسیر توسعه فناوری فتوسنتز مصنوعی به شمار می‌رود و می‌تواند به کاهش انتشار کربن و تولید سوخت‌های پاک کمک کند.

به گزارش interestingengineering، این سامانه بدون نیاز به برق خارجی عمل می‌کند و تمام انرژی مورد نیاز خود را از نور خورشید تامین می‌کند. در این فرآیند نور خورشید واکنش‌های شیمیایی لازم برای تبدیل دی‌اکسیدکربن و آب به متانول را هدایت می‌کند. نتایج آزمایش‌ها نشان می‌دهد که این برگ مصنوعی نسبت به نمونه‌های پیشین که برای تولید سوخت‌های الکلی طراحی شده بودند، از بازدهی بسیار بالاتری برخوردار است.

این فناوری جدید می‌تواند در آینده نقش مهمی در جذب دی‌اکسیدکربن موجود در جو و تبدیل آن به سوخت‌های مایع کم‌کربن برای بخش‌های حمل‌ونقل و صنعت ایفا کند.

الگوبرداری از فتوسنتز طبیعی

این پروژه حاصل همکاری پژوهشگران دانشگاه ییل دانشگاه کارولینای شمالی در چپل هیل، دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی و دانشگاه پنسیلوانیا است. این تحقیقات همچنین در راستای اهداف مرکز رویکرد‌های هیبریدی برای تبدیل انرژی خورشیدی به سوخت‌های مایع (CHASE) انجام شده است؛ مرکزی که از حمایت مالی دولت فدرال آمریکا برخوردار است.

هایلیانگ وانگ، استاد شیمی دانشگاه ییل و سرپرست این پروژه اعلام کرد که طراحی این سامانه مستقیما از طبیعت الهام گرفته شده است. به گفته وی عملکرد این دستگاه شباهت زیادی به فرآیند فتوسنتز طبیعی در گیاهان دارد و مشاهده نخستین نتایج موفقیت‌آمیز آن هیجان زیادی را در میان اعضای تیم تحقیقاتی ایجاد کرده است.

برخلاف سامانه‌های خورشیدی متداول که ابتدا برق تولید می‌کنند، این برگ مصنوعی سوخت مایع را به‌طور مستقیم تولید می‌کند. این ویژگی مزیت مهمی محسوب می‌شود، زیرا سوخت‌های مایع امکان ذخیره‌سازی طولانی‌مدت انرژی و استفاده از زیرساخت‌های فعلی انتقال و توزیع سوخت را فراهم می‌کنند.

متانول در حال حاضر یکی از مواد شیمیایی مهم صنعتی محسوب می‌شود و علاوه بر آن به عنوان سوخت جایگزین در صنایع حمل‌ونقل دریایی و بخش انرژی نیز کاربرد‌های رو‌به‌رشدی پیدا کرده است.

توسعه هسته کاتالیستی پیشرفته

این سامانه جدید حاصل ترکیب دو فناوری است که طی چند سال گذشته در آزمایشگاه وانگ توسعه یافته‌اند.

نخستین فناوری یک کاتالیست ویژه است که برای اولین بار در سال ۲۰۱۹ معرفی شد. این کاتالیست قادر است طی یک واکنش پیچیده شش‌الکترونی، دی‌اکسیدکربن و آب را به متانول تبدیل کند. این در حالی است که بیشتر کاتالیست‌های مولکولی پیشین تنها واکنش‌های دو‌الکترونی را انجام می‌دادند و معمولاً محصولاتی ساده‌تر مانند مونوکسیدکربن تولید می‌کردند.

برای ساخت این کاتالیست پژوهشگران مولکول‌های کبالت فتالوسیانین را روی نانولوله‌های کربنی تثبیت کردند. این نانولوله‌ها نقش مسیر‌های انتقال سریع الکترون را برعهده دارند و الکترون‌ها را با سرعت بالا به محل‌های فعال واکنش هدایت می‌کنند.

به گفته محققان نانولوله‌های کربنی مانند بزرگراه‌های الکترونی عمل می‌کنند که به طور مداوم انرژی مورد نیاز کاتالیست را در حین فعالیت تامین می‌کنند.

دومین نوآوری این پروژه طراحی مجدد یک فوتوالکترود توسط بو شانگ پژوهشگر دکتری دانشگاه ییل بود. این ساختار از ستون‌های میکروسکوپی سیلیکونی تشکیل شده که با مواد کربنی فولرن پوشش داده شده‌اند.

این هندسه ویژه باعث بهبود جداسازی بار‌های الکتریکی، افزایش کارایی انتقال الکترون و همچنین افزایش سطح فعال واکنش‌های شیمیایی می‌شود. ترکیب این دو فناوری در نهایت به تولید یکی از کارآمدترین سامانه‌های فوتوالکتروکاتالیستی مبتنی بر سیلیکون برای تبدیل دی‌اکسیدکربن به متانول منجر شده است.

گامی به سوی تولید صنعتی سوخت خورشیدی

بو شانگ طی پنج سال گذشته در قالب برنامه تحقیقاتی CHASE روی توسعه این سامانه مستقل کار کرده است. وی اظهار کرد که در آغاز پروژه دستیابی به دستگاهی که بتواند تنها با استفاده از نور خورشید، آب و دی‌اکسیدکربن به صورت مستقل سوخت تولید کند هدفی بسیار دور از دسترس به نظر می‌رسید.

به گفته او مشاهده تولید موفق سوخت قابل استفاده از این سه عنصر ساده یکی از رضایت‌بخش‌ترین لحظات دوران تحقیقاتی تیم بوده است.

پژوهشگران اکنون در حال بهینه‌سازی بیشتر طراحی برگ مصنوعی هستند تا بازدهی و دوام آن را افزایش دهند. پروفسور وانگ معتقد است نتایج کنونی، پایه‌ای مستحکم برای توسعه سامانه‌های بزرگ‌تر و کاربردی‌تر در آینده فراهم کرده است.

به باور محققان این فناوری می‌تواند در آینده از برنامه‌های بازیافت صنعتی کربن پشتیبانی کرده و امکان تولید سوخت‌های مایع تجدیدپذیر با انتشار کربن کمتر را فراهم کند. هرچند هنوز چالش‌های فنی متعددی برای تجاری‌سازی این فناوری وجود دارد اما سامانه توسعه‌یافته توسط دانشگاه ییل نشان می‌دهد که فتوسنتز مصنوعی می‌تواند از مرحله آزمایشگاهی فراتر رفته و به یک فناوری مقیاس‌پذیر در حوزه انرژی پاک تبدیل شود.