זרז זול העשוי מסוכר יש לו את הכוח להרוס CO2

זרז חדש עשוי לספק פתרון פוטנציאלי לניצול פחמן נלכד.

זרז חדש העשוי ממתכת זולה ושופעת וסוכר שולחן נפוץ יש את הכוח להרוס פחמן דו חמצני (CO₂) גז.

במחקר חדש של אוניברסיטת נורת'ווסטרן, הזרז המיר בהצלחה CO₂ לפחמן חד חמצני (CO), אבן בניין חשובה לייצור מגוון כימיקלים שימושיים. כאשר התגובה מתרחשת בנוכחות מימן, למשל, CO₂ והפיכת מימן לגז סינתזה (או סינתזה), מבשר בעל ערך רב לייצור דלקים שיכולים להחליף בנזין.

עם ההתקדמות האחרונה בטכנולוגיות לכידת פחמן, לכידת פחמן לאחר בעירה הופכת לאופציה סבירה לסייע בהתמודדות עם משבר שינויי האקלים העולמי. אבל איך לטפל בפחמן שנלכד נותרה שאלה פתוחה. הזרז החדש עשוי לספק פתרון אחד לסילוק גז החממה החזק על ידי המרתו למוצר בעל ערך רב יותר.

המחקר יתפרסם בגיליון ה-3 במאי של כתב העת מַדָע.

"גם אם הפסקנו לפלוט CO₂ כעת, לאטמוספירה שלנו עדיין יהיה עודף של CO₂ כתוצאה מפעילויות תעשייתיות מהמאות האחרונות", אמר מילאד חושואי מצפון ווסטרן, שהיה שותף להובלת המחקר. "אין פתרון אחד לבעיה הזו. אנחנו צריכים להפחית CO₂ פליטות ו למצוא דרכים חדשות להפחית את ה-CO₂ ריכוז שכבר נמצא באטמוספירה. עלינו לנצל את כל הפתרונות האפשריים".

"אנחנו לא קבוצת המחקר הראשונה שהמירה CO₂ למוצר אחר", אמר עומר ק. פרחה, מחבר המחקר הבכיר של Northwestern. "עם זאת, כדי שהתהליך יהיה מעשי באמת, הוא מצריך זרז הממלא כמה קריטריונים מכריעים: סבירות, יציבות, קלות ייצור ומדרגיות. האיזון בין ארבעת האלמנטים הללו הוא המפתח. למרבה המזל, החומר שלנו מצטיין בעמידה בדרישות הללו".

מומחה בטכנולוגיות לכידת פחמן, פרחה הוא פרופסור של צ'ארלס אי ואמה ה. מוריסון לכימיה במכללת ויינברג לאמנויות ומדעים של נורת'ווסטרן. לאחר שהחל בעבודה זו כדוקטורנט. מועמד באוניברסיטת קלגרי בקנדה, Khoshoeoei כעת הוא פוסט דוקטורט במעבדה של Farha.

פתרונות מהמזווה

הסוד מאחורי הזרז החדש הוא מוליבדן קרביד, חומר קרמי קשה במיוחד. שלא כמו זרזים רבים אחרים הדורשים מתכות יקרות, כגון פלטינה או פלדיום, מוליבדן הוא מתכת זולה, לא יקרה, שופעת כדור הארץ.

כדי להפוך מוליבדן למוליבדן קרביד, המדענים נזקקו למקור של פחמן. הם גילו אפשרות זולה במקום לא צפוי: המזווה. באופן מפתיע, סוכר – מהסוג הלבן והמגורע שנמצא כמעט בכל משק בית – שימש מקור זול ונוח לאטומי פחמן.

"בכל יום שניסיתי לסנתז את החומרים האלה, הייתי מביא סוכר למעבדה מהבית שלי", אמר חושואי. "בהשוואה לסוגים אחרים של חומרים הנפוצים עבור זרזים, שלנו הוא זול להפליא."

סלקטיבי ויציב בהצלחה

בעת בדיקת הזרז, פרחה, חושואי ומשתפי הפעולה שלהם התרשמו מהצלחתו. פועל בלחצים סביבה ובטמפרטורות גבוהות (300-600 מעלות צֶלסִיוּס), הזרז המיר CO₂ לתוך CO עם סלקטיביות של 100%.

סלקטיביות גבוהה פירושה שהזרז פעל רק על ה-CO₂ מבלי להפריע לחומרים שמסביב. במילים אחרות, התעשייה יכולה ליישם את הזרז על כמויות גדולות של גזים שנלכדו ולמקד באופן סלקטיבי רק את CO₂. הזרז גם נשאר יציב לאורך זמן, כלומר הוא נשאר פעיל ולא התכלה.

"בכימיה, זה לא נדיר שזרז מאבד את הסלקטיביות שלו אחרי כמה שעות", אמר פרחה. "אבל, אחרי 500 שעות בתנאים קשים, הסלקטיביות שלו לא השתנתה."

זה מדהים במיוחד מכיוון ש-CO₂ היא מולקולה יציבה – ועקשנית.

"המרת CO₂ זה לא קל", אמר חושואי. "שיתוף₂ היא מולקולה יציבה מבחינה כימית, והיינו צריכים להתגבר על היציבות הזו, שלוקחת הרבה אנרגיה".

גישה טנדמית לניקוי פחמן

פיתוח חומרים ללכידת פחמן הוא המוקד העיקרי של המעבדה של פרחה. הקבוצה שלו מפתחת מסגרות מתכת-אורגניות (MOFs), סוג של חומרים נקבוביים מאוד, בגודל ננו, שפרחה משווה ל"ספוגי רחצה מתוחכמים וניתנים לתכנות". Farha בוחן MOFs עבור יישומים מגוונים, כולל משיכת CO₂ ישירות מהאוויר.

כעת, פרחה אומר כי MOFs והזרז החדש יכולים לעבוד יחד כדי למלא תפקיד בלכידת פחמן וריבוש.

"בשלב מסוים, נוכל להשתמש ב-MOF כדי ללכוד CO2, ואחריו זרז שימיר אותו למשהו מועיל יותר", הציע פרחה. "מערכת טנדם המשתמשת בשני חומרים נפרדים לשני שלבים עוקבים יכולה להיות הדרך קדימה."

"זה יכול לעזור לנו לענות על השאלה: 'מה אנחנו עושים עם CO שנלכד₂?'" הוסיפה חושואי. "כרגע, התוכנית היא לתפוס אותו מתחת לאדמה. אבל מאגרים תת קרקעיים חייבים לעמוד בדרישות רבות על מנת לאחסן בבטחה ובאופן קבוע CO₂. רצינו לעצב פתרון אוניברסלי יותר שניתן להשתמש בו בכל מקום תוך הוספת ערך כלכלי".

המחקר נתמך על ידי משרד האנרגיה האמריקאי, הקרן הלאומית למדע ומועצת המחקר למדעי הטבע וההנדסה של קנדה.