אור שמש למתנול: המרת CO2 מהפכנית שהושגה עם נחושת ופחמן ניטריד

חוקרים שינו בהצלחה את CO₂ לתוך מתנול על ידי זריחה של אור שמש על אטומים בודדים של נחושת שהופקדו על חומר המופעל באור, תגלית שסוללת את הדרך ליצירת דלקים ירוקים חדשים.

צוות בינלאומי של חוקרים מ- אוניברסיטת נוטינגהאםבית הספר לכימיה, אוניברסיטת ברמינגהם, אוניברסיטת קווינסלנד ואוניברסיטת Ulm עיצבו חומר, המורכב מנחושת המעוגנת על פחמן ניטריד ננו-גבישי. אטומי הנחושת מקוננים בתוך המבנה הננו-גבישי, המאפשר לאלקטרונים לעבור מפחמן ניטריד ל-CO₂שלב חיוני בייצור מתנול מ-CO₂ תחת השפעת קרינת השמש. המחקר פורסם ב- אנרגיה ודלקים בת קיימא כתב העת של החברה המלכותית לכימיה.

האתגר של יעילות וסלקטיביות

בפוטוקטליזה, אור זורח על חומר מוליכים למחצה שמעורר אלקטרונים, ומאפשר להם לעבור דרך החומר כדי להגיב עם CO₂ ומים, מה שמוביל למגוון מוצרים שימושיים, כולל מתנול, שהוא דלק ירוק. למרות ההתקדמות האחרונה, תהליך זה סובל מחוסר יעילות וסלקטיביות.

פחמן דו חמצני הוא התורם הגדול ביותר להתחממות כדור הארץ. אמנם, ניתן להמיר CO₂ למוצרים שימושיים, שיטות תרמיות מסורתיות מסתמכות על מימן שמקורו בדלקים מאובנים. חשוב לפתח שיטות חלופיות המבוססות על צילום ואלקטרוקטליזה, תוך ניצול אנרגיית השמש בת-קיימא ושפע המים הנמצאים בכל מקום.

שליטה בקנה מידה ננו עבור קטליזה משופרת

ד"ר Madasamy Thangamuthu, עמית מחקר בבית הספר לכימיה, אוניברסיטת נוטינגהם, שהוביל את צוות המחקר, אמר: "יש מגוון גדול של חומרים שונים המשמשים בפוטוקטליזה. חשוב שהפוטו-קטליזטור יספוג אור ויפריד בין נושאי מטען ביעילות גבוהה. בגישה שלנו, אנו שולטים בחומר ב- בקנה מידה ננו. פיתחנו צורה חדשה של פחמן ניטריד עם תחומים בקנה מידה ננו-גבישי המאפשר אינטראקציה יעילה עם אור וגם הפרדת מטען מספקת".

תהליך המרת CO2 למתנול (דלק) על ידי אור. קרדיט: אוניברסיטת נוטינגהאם

החוקרים המציאו תהליך של חימום פחמן ניטריד לדרגת הגבישיות הנדרשת, תוך מקסום התכונות הפונקציונליות של חומר זה לצורך פוטו-קטליזה. באמצעות קפיצת מגנטרון, הם הפיקו נחושת אטומית בתהליך נטול ממס, מה שאיפשר מגע אינטימי בין המוליך למחצה לאטומי המתכת.

רווחי יעילות מפתיעים

טארה למרסייר, סטודנטית לדוקטורט שביצעה את העבודה הניסיונית באוניברסיטת נוטינגהאם, בית הספר לכימיה, אמרה: "מדדנו את הזרם שנוצר על ידי האור והשתמשנו בו כקריטריון לשפוט את איכות הזרז. אפילו ללא נחושת, הצורה החדשה של פחמן ניטריד פעילה פי 44 מפחמן ניטריד מסורתי. עם זאת, להפתעתנו, תוספת של 1 מ"ג נחושת בלבד ל-1 גרם פחמן ניטריד הכפילה פי ארבעה את היעילות הזו. והכי חשוב הסלקטיביות השתנתה מתאן, גז חממה אחר, למתנול, דלק ירוק יקר ערך".

פרופסור אנדריי חלוביסטוב, בית הספר לכימיה, אוניברסיטת נוטינגהאם, אמר: "מיצוי פחמן דו חמצני הוא המפתח להשגת השאיפה לאפס נטו של בריטניה. חשוב מאוד להבטיח את הקיימות של חומרי הזרז שלנו לתגובה חשובה זו. היתרון הגדול של הזרז החדש הוא שהוא מורכב מיסודות ברי קיימא – פחמן, חנקן ונחושת – כולם מצויים בשפע על הפלנטה שלנו".

המצאה זו מייצגת צעד משמעותי לקראת הבנה עמוקה של חומרים פוטו-קטליטיים בהמרת CO2. זה פותח נתיב ליצירת זרזים סלקטיביים וניתנים לכוונון בהם ניתן לחייג את המוצר הרצוי על ידי שליטה על הזרז בקנה מידה ננו.

עבודה זו ממומנת על ידי מענק תוכנית EPSRC 'אטומי מתכת על משטחים וממשקים (MASI) לעתיד בר קיימא' www.masi.ac.uk אשר אמורה לפתח חומרי זרז להמרה של שלוש מולקולות מפתח – פחמן דו חמצני, מימן, ואמוניה – חשובה ביותר לכלכלה ולסביבה. זרזי MASI מיוצרים בצורה יעילה באטומים כדי להבטיח שימוש בר קיימא ביסודות כימיים מבלי לדלדל את האספקה ​​של יסודות נדירים וליצור את רוב היסודות השופעים של כדור הארץ, כגון פחמן ומתכות בסיסיות.