قال الباحث في جامعة شيكاغو الأمريكية، بول دايلينغ، إن العلماء الذين يتطلّعون إلى تحويل ثاني أكسيد الكربون إلى وقود نظيف ومواد كيميائية مفيدة غالبا ما يُنتجون غاز الهيدروجين والكربونات كمنتجات ثانوية غير مرغوب فيها، إلا أن ورقة بحثية جديدة اكتشفت طريقة نظيفة لتحويل الغازات الدفيئة.

وأشار دايلينغ إلى أن “ثاني أكسيد الكربون هو أحد الغازات الدفيئة، وهو المسؤول بمفرده عن 78% من التغير في توازن الطاقة في الغلاف الجوي للأرض بين عامي 1990 و2022”.

ويدخل ثاني أكسيد الكربون، وهو نتيجة ثانوية لحرق الوقود الأحفوري، إلى الغلاف الجوي من عوادم السيارات ومحطات الطاقة التي تعمل بالفحم والغاز الطبيعي.

وهذا الجزيء، في جوهره، هو مجرد ترتيب لذرة كربون واحدة وذرتين أكسجين يمكن إعادة تنظيمهما من خلال عملية تُسمى تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي (CO2R) إلى وقود نظيف ومواد كيميائية مفيدة. لكن العملية تتم غالبا بخسارة، إذ تقوم العمليات المتنافسة بسحب الذرات في اتجاهات غير مرغوب فيها، ما يؤدي إلى ظهور منتجات ثانوية غير مرغوب فيها.

وفي ورقة بحثية، نُشرت في دورية نيتشر كاتاليسيس (Nature Catalysis)، حدّد باحثون من مختبر أمانشوكو (Amanchukwu)، التابع لكلية بريتزكر للهندسة الجزيئية، طريقة لمعالجة جزيئات الماء لجعل ثاني أكسيد الكربون أكثر كفاءة، مع الهدف النهائي المتمثل في إنشاء حلقة طاقة نظيفة.

ومن خلال طريقتهم الجديدة، تمكّن الفريق من إجراء عملية تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي بكفاءة تقارب الـ100%، في ظلّ ظروف حمضية خفيفة، باستخدام الذهب أو الزنك كمحفزات للتفاعل.

وقال ريجي غوميز، المؤلّف الأول للورقة البحثية الجديدة، “تخيّل أنه يمكننا الحصول على كهرباء خضراء من الطاقة الشمسية وطاقة الرياح، ومن ثم استخدام هذه الكهرباء لتحويل أيّ ثاني أكسيد الكربون إلى وقود مرة أخرى”.

ويستخدم الباحثون، الذين يقومون بعملية تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي، الكهرباء والماء لتفكيك وإعادة ترتيب الغازات الدفيئة الضارة، ما يؤدي إلى إرسال ذرات الكربون والأكسجين من ثاني أكسيد الكربون مع ذرات الهيدروجين من الماء.

وإذا ما عملت على النحو المنشود، فإن الذرات تُشكّل جزيئات أخرى مرغوبة أكثر يمكن استخدامها كوقود أو مواد كيميائية، بحسب غوميز.

ولكن مع تشتت الذرات، فإنه غالبا ما تتشكل أزواج مستقرة من ذرتي هيدروجين، وهي عملية تُسمى تفاعل تطور الهيدروجين (HER)، وهذا يجعل ثاني أكسيد الكربون أقلّ كفاءة، إذ أن الطاقة والذرات التي تصبح غاز الهيدروجين لا يمكن أن تكون جزءا من الجزيئات التي كان العلماء يحاولون تكوينها.

وقام مختبر أمانشوكو، الذي يشتهر بأبحاثه في مجال البطاريات، بتطبيق رؤى مستمدّة من البطاريات المائية على المشكلة، مفترضا أن التحكم في المياه باستخدام المذيبات العضوية يمكن أن يُوفّر حلا.

ويعتمد كل من أسلوب تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي وتفاعل تطور الهيدروجين على الماء كمتبرع بالبروتون. وباستخدام المذيبات العضوية والمضافات الحمضية، تمكّن الفريق من ضبط سلوك الماء وإيجاد النقطة المثالية، حيث تبرّع بالكمية المناسبة من البروتونات لإنشاء الجزيئات المقصودة، وليس غاز الهيدروجين والمواد الأخرى غير المرغوب فيها مثل الكربونات.

وأوضح غوميز أن العديد من الطرق الأكثر فعالية لتنفيذ تقليل ثاني أكسيد الكربون الكهروكيميائي تعتمد على المعادن الثمينة، قائلا “إن البلاتين والفضة والذهب، لأغراض البحث، تُعتبر محفزات عظيمة، إذ أنها مواد مستقرّة للغاية. ولكن عندما تُفكّر في التطبيقات الصناعية، فإنها تصبح باهظة التكلفة”.

ومن خلال هندسة الإلكتروليت، يمكن للطريقة الجديدة الحصول على نتائج مماثلة باستخدام مواد أرخص وأكثر وفرة، بحسب غوميز.