التخليق الكهربائي الفعال لأول أكسيد الكربون عالي النقاء باستخدام محلول إلكتروليتي من "الماء المسامي".

طور فريق بحثي طريقة جديدة لاستخلاص أول أكسيد الكربون عالي النقاء.

نقاء عالٍأول أكسيد الكربون (CO)يُعد ثاني أكسيد الكربون مادة خام أساسية في الصناعة الكيميائية، ويُستخدم على نطاق واسع في تحضير الفوسجين ومركبات الكربونيل المعدنية. ولا يزال إنتاج ثاني أكسيد الكربون يعتمد حاليًا بشكل أساسي على الوقود الأحفوري، ويتضمن خطوات تنقية غازية كثيفة الاستهلاك للطاقة. ويُعتبر الاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون استراتيجية مثالية لإنتاج ثاني أكسيد الكربون بطريقة صديقة للبيئة. إلا أنه عمليًا، غالبًا ما يحتوي ناتج التحليل الكهربائي على كميات كبيرة من ثاني أكسيد الكربون غير المتفاعل والشوائب، مما يؤدي إلى ارتفاع تكاليف الفصل اللاحقة. لذا، أصبح التخليق المباشر لثاني أكسيد الكربون عالي النقاء بتركيزات منخفضة تحديًا كبيرًا في مجال الاختزال الكهروكيميائي لثاني أكسيد الكربون. تقترح هذه الدراسة استراتيجية جديدة تعتمد على إلكتروليت "الماء المسامي"، لتحقيق تخليق فعال ومستقر لثاني أكسيد الكربون عالي النقاء (97.0% وزنيًا) في بيئة ذات تركيز منخفض من ثاني أكسيد الكربون (15%)، مما يوفر رؤى جديدة لاستخدام موارد ثاني أكسيد الكربون.

ملخص البحث

طوّرت هذه الدراسة إلكتروليتًا جديدًا (إلكتروليت مسامي، PE) قائمًا على الماء المسامي. توفر بلورات الزيوليت النانوية المشتتة (زيوليت-NC) بيئة مسامية دقيقة مستقرة، مما يُمكّن من امتصاص ثاني أكسيد الكربون (CO₂) وتكثيفه بكفاءة في الطور السائل. تحت تأثير مجال كهربائي، ينطلق ثاني أكسيد الكربون تلقائيًا عبر تدرج تركيز بيني، ويتحول بكفاءة إلى أول أكسيد الكربون (CO) على محفز كهربائي من النيكل-نيتروجين/كربون (Ni-N/C). تتجنب هذه الاستراتيجية عملية احتجاز ثاني أكسيد الكربون التقليدية متعددة الخطوات (التقاط، تجديد، تحليل كهربائي)، مما يُحسّن بشكل ملحوظ نقاء منتج اختزال ثاني أكسيد الكربون (CO₂RR). عند كثافة تيار 150 مللي أمبير/سم²، يبقى نقاء أول أكسيد الكربون أعلى من 90.0% وزنيًا، مع تقليل استهلاك الطاقة والتكاليف بشكل كبير. تُوفر هذه الطريقة مسارًا جديدًا وفعالًا للتخليق الكهربائي لثاني أكسيد الكربون عالي النقاء.

أبرز نتائج البحث

1. "الماء المسامي" يعزز امتصاص ثاني أكسيد الكربون ويزيد من تركيزه الموضعي
توفر بلورات الزيوليت النانوية مسامات دائمة، مما يسمح بامتصاص ثاني أكسيد الكربون فيزيائيًا في الطور السائل وإطلاقه تلقائيًا تحت تأثير المجال الكهربائي، وبالتالي زيادة تركيز ثاني أكسيد الكربون على السطح البيني.

2. تحقيق التخليق الكهربائي لثاني أكسيد الكربون عالي النقاء

في ظل جو يحتوي على 15% من ثاني أكسيد الكربون، يمكن لهذه الاستراتيجية أن تُنتج مباشرةً ثاني أكسيد الكربون النقي بنسبة 97.0% وزناً، متجنبةً بذلك مشاكل الفصل.ناتج عن ثاني أكسيد الكربون غير المتفاعل في عملية اختزال ثاني أكسيد الكربون التقليدية.

3. استهلاك منخفض للطاقة واستقرار عالٍ

بالمقارنة مع استراتيجيات إعادة توليد وفصل ثاني أكسيد الكربون التقليدية، فإن هذه الطريقة تقلل من استهلاك الطاقة بنسبة 49.3% ويمكن تشغيلها بثبات لأكثر من 20 ساعة عند 100 مللي أمبير سم⁻²، مما يدل على استقرار ممتاز على المدى الطويل.

4. يعمل المجال الكهربائي البيني على تعزيز نقل الإلكترونات وتسريع حركية التفاعل.

يعزز تفاعل التبادل الأيوني السطحي بين K⁺ و Si-OH المجال الكهربائي البيني، مما يؤدي إلى تسريع الإلكتروناتنقل وبالتالي تعزيز النشاط الجوهري لـ CO₂RR.