المواد الجديدة قادرة على التقاط ثاني أكسيد الكربون بشكل انتقائي

ستؤدي هذه النتائج إلى إنشاء محطات طاقة قادرة على التقاط ثاني أكسيد الكربون بنجاح أكبر وإطلاق كميات أقل منه في الغلاف الجوي

تقرير الكيميائيين من جامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس عن التقدم الكبير في الحد من انبعاث ثاني أكسيد الكربون من غازات الدفيئة في مجلة "العلم" في عدد 15.02.2008.

وأظهر العلماء كيف يمكنهم عزل ثاني أكسيد الكربون والتقاطه بنجاح، وهو أحد الغازات الدفيئة التي تساهم في ظاهرة الاحتباس الحراري وارتفاع مستويات سطح البحر وزيادة حموضة المحيطات. يمكن أن تؤدي النتائج التي توصلوا إليها إلى إنشاء محطات طاقة يمكنها التقاط ثاني أكسيد الكربون المنبعث في الهواء بنجاح وأمان دون استخدام مواد سامة. يقول عمر م.: "لقد تمكنا من التغلب على التحدي الفني في الإزالة الانتقائية لثاني أكسيد الكربون". ياغي وأستاذ الكيمياء كريستوفر فوت، المؤلفان المشاركان لهذه الورقة.

"لدينا الآن مباني يمكن تصميمها لالتقاط ثاني أكسيد الكربون بشكل انتقائي ودقيق والاحتفاظ به في نوع من الخزان. ويقول الباحثون إنه لا تتسرب منه أي كمية من الغاز. لا شيء يهرب - إلا إذا أردت ذلك. ونعتقد أن هذه نقطة تحول في احتجاز الغاز الضار قبل وصوله إلى الغلاف الجوي". تم التقاط الغاز باستخدام عائلة جديدة من المواد التي طورها الباحثون وتسمى "أطر الزيوليتيك إيميدازوليت" أو ZIFs (أطر الزيوليتيك إيميدازوليت).

"الزيوليت" عبارة عن معادن سيليكات الألومنيوم الطبيعية والصناعية التي تتميز بخصائص التبادل الأيوني. يتم استخدامها لتليين المياه وتنقية المواد العضوية. لها بنية بلورية مفتوحة وتكون بمثابة أقراص العسل الجزيئية. والمواد المطورة حديثاً عبارة عن هياكل مسامية ومستقرة كيميائياً، ولها مساحة سطحية كبيرة، ومن الممكن تسخينها إلى درجات حرارة عالية دون تحللها وغليها في الماء أو المذيبات العضوية لمدة أسبوع كامل تقريباً مع الحفاظ على ثباتها الكيميائي. قام الكيميائيان في مختبره، أحدهما زميل ما بعد الدكتوراه والآخر مؤهل، بتجميع 25 بنية مختلفة من هذا القبيل وأظهروا بنجاح حوالي ثلاثة منها أظهرت انتقائية عالية للغاية في احتجاز ثاني أكسيد الكربون: ZIF-68، ZIF-69، ZIF-70. يقول ياجي - عضو "معهد كاليفورنيا للأنظمة النانوية" بجامعة كاليفورنيا: "إن هذه الانتقائية لهذه الهياكل لثاني أكسيد الكربون لا مثيل لها من قبل أي مادة أخرى معروفة".

"لقد نجح اثنان من المواد الاصطناعية الخاصة بي في صنع الهياكل الجديدة لدرجة أنه عندما أبلغ عن النتائج كان علي أن أطلب منهم التباطؤ." داخل هذه الهياكل، يمكن تخزين علب الغاز. "الأغطية" التي تعمل كمعادل كيميائي للباب الدوار تسمح لنوع معين من الجزيئات - في هذه الحالة، ثاني أكسيد الكربون - بالمرور عبرها إلى داخل الخزان بينما يتم حظر الجزيئات الأكبر حجمًا أو تلك التي لها هياكل أخرى. يقول الباحث الرئيسي: "نحن قادرون على مسح واختيار نوع واحد من البغل الذي نرغب في التقاطه". "يكمن جمال هذه الكيمياء في حقيقة أن لدينا الحرية في اختيار نوع الباب الذي نحتاجه والتحكم في المكونات التي تمر عبره." يقول الباحث: "إن احتجاز ثاني أكسيد الكربون يخلق طاقة "أنظف". "إن طلاء مداخن المصانع بهذه المواد الجديدة سيكون قادرًا على احتجاز ثاني أكسيد الكربون داخل المسام قبل إطلاقه في الهواء الطلق." وفي الزيوليتات الثلاثة الجديدة، أفرغ العلماء المسام في الخطوة الأولى لإنشاء بنية حرة. ثم قاموا بحقن نفاثات غازية في المواد - ثاني أكسيد الكربون وأول أكسيد الكربون، على سبيل المثال، ونفث آخر من ثاني أكسيد الكربون والنيتروجين - وكانوا قادرين على إظهار أن ثاني أكسيد الكربون فقط هو الذي بقي محصوراً في المادة. ويبحث العلماء الآن عن زيوليتات مماثلة لاستخدامها في مجموعة متنوعة من التطبيقات الأخرى. ويضيف الباحث الرئيسي أنه بالإضافة إلى كونه أحد الغازات الدفيئة، فإن ثاني أكسيد الكربون يسبب موت الشعاب المرجانية والحياة البحرية الأخرى، ويتسبب في أضرار جسيمة لا يمكن إصلاحها لمئات السنين.

واليوم، تتكون عمليات تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من المصانع أيضًا من مواد سامة جزئيًا وتتطلب حوالي 20 إلى 30 بالمائة من طاقة المصنع. وفي المقابل، تستطيع المواد الجديدة إزالة ثاني أكسيد الكربون من الغازات الأخرى المنبعثة، وتكون قادرة على تخزين كمية تبلغ خمسة أضعاف الكمية التي تستطيع المواد المسامية الأخرى، الأكثر تقدما في هذا المجال، تخزينها. ويقول الباحث: «كل لتر من هذه المادة يمكنه تخزين 83 لترًا من ثاني أكسيد الكربون». وعلى المستوى الأساسي، فإن تطوير هذه المواد يعالج أيضًا تحديين خطيرين في علم الزيوليت. الزيوليت عبارة عن معادن مسامية ومستقرة تتكون من ذرات الألومنيوم والسيليكون والأكسجين وتستخدم في صناعة تكرير النفط وفي مواد التنظيف وغيرها من المنتجات. وتمكن الفريق البحثي من استبدال ذرات الألومنيوم والسيليكون بأيونات معدنية مثل الزنك والكوبالت، وذرات الأكسجين التي تربطها بمركب يسمى إيميدازوليت لتكوين المواد الجديدة، التي يمكن بناؤها حسب الوظيفة أو الشكل الذي يتطلبه العلماء.

تمكن الكيميائيان المسؤولان عن تصنيع المواد من أتمتة العملية برمتها. وبدلاً من خلط المستجيبين في كل خطوة على حدة وتلقي، في أحسن الأحوال، بعض الإجابات كل يوم، تمكنوا من بناء إجراء يتكون من 200 إجابة منفصلة في أقل من ساعة واحدة. أجرى الكيميائيان 9,600 تفاعل دقيق من هذا النوع وتمكنا من اكتشاف 25 بنية جديدة تمامًا. يقول رئيس المجموعة: "نواصل إنشاء مباني جديدة مثل هذه كل يوم". "من هذه التفاعلات يتم الحصول على بلورات تبدو جميلة وتلمع مثل الماس."

وفي أوائل التسعينيات، اخترع ياغي نوعًا آخر من المواد الجديدة أطلق عليها اسم "الأطر المعدنية العضوية، MOFs" والتي تم وصفها بأنها "إسفنجات بلورية" وتستخدم أيضًا للطاقة النظيفة. وعلى غرار الزيوليت، تحتوي هذه المواد أيضًا على مسام ذات أبعاد نانومترية، وتكون قادرة على تخزين الغازات بداخلها والتي يصعب نقلها من مكان إلى آخر. وقد أنتج مختبر ياجي بالفعل عدة مئات من هذه المواد ذات الخصائص والهياكل المتنوعة.

للحصول على معلومات على موقع Science-Daily