تولید کربن مونوکسید از CO₂ با نانوذرات نقره 10 نانومتری

الکترولیز کربن دی‌اکسید (CO₂) روشی برای تبدیل این گاز گلخانه‌ای به کربن مونوکسید (CO) است؛ ماده‌ای اولیه که در تولید محصولات شیمیایی و سوخت‌ها کاربرد دارد. در چارچوب پروژه GreenQUEST، یک تیم بین‌المللی به سرپرستی پرشانت منِزِس، شیمی‌دان مرکز هلمهولتز برلین (HZB)، تأثیر اندازه و تراکم نانوذرات نقره را بر عملکرد لایه‌های کاتالیستی بررسی کرده است.

افزایش تولید کربن مونوکسید از کربن دی‌اکسید با نانوذرات نقره ۱۰ نانومتری

نتایج این پژوهش که در مجله Advanced Functional Materials منتشر شده، نشان می‌دهد نانوذرات نقره با قطر حدود ۱۰ نانومتر که به‌صورت پراکنده روی بستر کربنی قرار گرفته‌اند، بیشترین بازده تولید کربن مونوکسید را ارائه می‌دهند. همچنین، استفاده از یک واکنش شیمیایی در آند می‌تواند مصرف انرژی فرایند را کاهش دهد و امکان تولید هم‌زمان هیدروژن، کربن مونوکسید و اسید فرمیک را فراهم کند.

کاربرد نانوذرات نقره در تولید سوخت‌های پایدار

با استفاده از انرژی الکتریکی می‌توان کربن دی‌اکسید را به کربن مونوکسید تبدیل کرد. سپس مونوکسید کربن و هیدروژن تولیدشده در فرایندهای الکتروشیمیایی، گاز سنتز را تشکیل می‌دهند که می‌توان از آن برای تولید دی‌متیل اتر (DME) و در ادامه، گاز مایع سبز (gLFG) استفاده کرد. این سوخت عمدتاً از پروپان و بوتان تشکیل شده است.

در صورت تأمین برق موردنیاز الکترولیز از منابع تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و بادی، این فناوری می‌تواند به بازیافت کربن و کاهش انتشار خالص دی‌اکسید کربن کمک کند.

پژوهشگران پروژه GreenQUEST با همکاری مؤسسات همکار در آفریقای جنوبی، به دنبال توسعه سوخت پخت‌وپز پاک و مقرون‌به‌صرفه‌ای هستند که بتواند جایگزین سوخت‌های سنتی مبتنی بر زیست‌توده، به‌ویژه هیزم، در مناطق روستایی شود.

تأثیر اندازه نانوذرات نقره بر بازده تولید کربن مونوکسید

تیم پژوهشی به سرپرستی منِزِس، اندازه و تراکم نانوذرات نقره را روی ماده کربنی پوشاننده الکترود بررسی کرد تا شرایط بهینه برای کاهش الکتروشیمیایی CO₂ به CO مشخص شود.

به گفته نیکلاس هاوسمن، یکی از نویسندگان پژوهش، نانوذرات بسیار کوچک، تولید هیدروژن را افزایش می‌دهند و در نتیجه بازده کربن مونوکسید کاهش می‌یابد. از سوی دیگر، نانوذرات بیش از حد بزرگ فعالیت کاتالیستی کمتری دارند.

نتایج نشان داد نانوذرات نقره با قطر حدود ۱۰ نانومتر و تراکم سطحی ۰٫۲ میلی‌گرم بر سانتی‌متر مربع الکترود، در صورت توزیع پراکنده روی بستر کربنی، بهترین بازده را ایجاد می‌کنند.

کاهش بیش از ۳۰ درصدی مصرف انرژی با تغییر واکنش آند

در فرایند متداول الکترولیز، کربن دی‌اکسید در کاتد کاهش می‌یابد و در آند واکنش تولید اکسیژن انجام می‌شود. این واکنش به انرژی زیادی نیاز دارد و محصول آن، اکسیژن، ارزش اقتصادی محدودی در این فرایند دارد.

پژوهشگران نشان دادند که افزودن آلدهیدها به الکترولیت می‌تواند واکنش تولید اکسیژن را با واکنش اکسیداسیون آلدهید جایگزین کند. این تغییر، مصرف انرژی کل فرایند را بیش از ۳۰ درصد کاهش می‌دهد و امکان تولید ترکیبات ارزشمندی مانند اسید فرمیک را نیز فراهم می‌کند.

پایداری تولید کربن مونوکسید و افزایش ارزش اقتصادی فرایند

کاتالیست بهینه‌شده مبتنی بر نانوذرات نقره، طی ۱۰۰ ساعت فعالیت، بازده فارادایی نزدیک به ۱۰۰ درصد برای تولید کربن مونوکسید نشان داد. همچنین، بررسی‌های طیف‌سنجی فوتوالکترون پرتو ایکس تأیید کرد که ساختار الکترونیکی و شیمیایی ذرات فعال نقره در طول فرایند تا حد زیادی پایدار باقی می‌ماند.

به گفته پرشانت منِزِس، ترکیب تولید کربن مونوکسید با تولید هیدروژن و مواد شیمیایی ارزشمند مانند فرمیک اسید می‌تواند ارزش اقتصادی کلی فرایند الکتروشیمیایی را افزایش دهد. کربن مونوکسید و هیدروژن نیز مواد اولیه مهمی برای تولید سوخت‌ها و مواد شیمیایی پایدار به شمار می‌روند.