מדענים פיתחו שיטה להמרת פחמן דו חמצני ביעילות למתנול תוך שימוש בחשמל ובזרז חדשני, המספקות תובנות שיכולות לחולל מהפכה בתהליכים קטליטיים וייצור דלק חלופי.
מחקר גילה שיטה יעילה יותר ליצירת מתנול.
במשך שנים, כימאים שואפים לסנתז חומרים יקרי ערך ממולקולות פסולת. כעת, צוות בינלאומי של מדענים חוקר כיצד חשמל יכול לפשט את התהליך הזה.
במחקר שלהם, שפורסם לאחרונה ב קטליזה של הטבעחוקרים הוכיחו שניתן להמיר פחמן דו חמצני, גז חממה, לסוג של דלק נוזלי הנקרא מתנול בצורה יעילה ביותר.
תהליך זה קרה על ידי נטילת מולקולות קובלט פתלוציאנין (CoPc) ופיזורן באופן שווה על ננו-צינוריות פחמן, גרפן-כמו צינורות בעלי תכונות חשמליות ייחודיות. על פני השטח שלהם הייתה תמיסת אלקטרוליט, שבאמצעות הזרמת זרם חשמלי דרכה אפשרה למולקולות CoPc לקחת אלקטרונים ולהשתמש בהם כדי להפוך פחמן דו חמצני למתנול.
התבוננות בתגובות כימיות
באמצעות שיטה מיוחדת המבוססת על ספקטרוסקופיה במקום כדי לדמיין את התגובה הכימית, החוקרים ראו לראשונה את אותן מולקולות ממירות את עצמן למתנול או לפחמן חד חמצני, שאינו המוצר הרצוי. הם גילו שהנתיב שהתגובה עוברת נקבע על ידי הסביבה שבה מגיבה מולקולת הפחמן הדו חמצני.
כוונון סביבה זו על ידי שליטה על אופן הפצת זרז ה-CoPc על פני צינורות הפחמן אפשרה לפחמן דו חמצני להיות בסבירות גבוהה פי שמונה לייצר מתנול, תגלית שיכולה להגביר את היעילות של תהליכים קטליטיים אחרים ולהשפיע באופן נרחב על אחרים תחומים, אמר רוברט בייקר, מחבר שותף למחקר ופרופסור לכימיה וביוכימיה באוניברסיטת אוהיו סטייט.
"כשאתה לוקח פחמן דו חמצני וממיר אותו למוצר אחר, יש הרבה מולקולות שונות שאתה יכול לעשות", אמר. "מתנול הוא בהחלט אחד הנחשקים ביותר מכיוון שיש לו צפיפות אנרגיה כה גבוהה והוא יכול לשמש ישירות כדלק חלופי."
בעוד שהפיכת מולקולות פסולת למוצרים שימושיים אינה תופעה חדשה, עד כה, חוקרים לא הצליחו לעתים קרובות לראות כיצד התגובה מתרחשת בפועל, תובנה מכרעת לגבי היכולת לייעל ולשפר את התהליך.
"אולי נעשה אופטימיזציה אמפירית של איך משהו עובד, אבל אין לנו באמת הבנה מה גורם לו לעבוד, או מה גורם לזרז אחד לעבוד טוב יותר מזרז אחר", אמר בייקר, המתמחה בכימיה של פני השטח, המחקר של איך כימיקלים התגובות משתנות כאשר הן מתרחשות על פני אובייקטים שונים. "אלה דברים שקשה מאוד לענות עליהם."
טכניקות ספקטרוסקופיה מתקדמות
אבל בעזרת טכניקות מיוחדות ומידול ממוחשב, הצוות התקרב משמעותית לתפיסת התהליך המורכב. במחקר זה, החוקרים השתמשו בסוג חדש של ספקטרוסקופיה רטט, שאפשרה להם לראות כיצד מולקולות מתנהגות על פני השטח, אמר Quansong Zhu, המחבר הראשי של המחקר ומלומד נשיא מדינת אוהיו לשעבר, שהמדידות המאתגרות שלו היו חיוניות לגילוי.
"יכולנו לדעת לפי חתימות הרטט שלהם שזו אותה מולקולה שיושבת בשתי סביבות תגובה שונות", אמר ג'ו. "הצלחנו לתאם שאחת מסביבות התגובה הללו הייתה אחראית לייצור מתנול, שהוא דלק נוזלי יקר ערך."
על פי המחקר, ניתוח מעמיק יותר מצא גם שהמולקולות הללו מקיימות אינטראקציה ישירה עם חלקיקים מוטענים הנקראים קטיונים אשר שיפרו את תהליך היווצרות המתנול.
דרוש מחקר נוסף כדי ללמוד עוד על מה עוד הקטיונים הללו מאפשרים, אבל ממצא כזה הוא המפתח להשגת דרך יעילה יותר ליצור מתנול, אמר בייקר.
"אנחנו רואים מערכות חשובות מאוד ולומדים עליהן דברים שתהו עליהם הרבה זמן", אמר בייקר. "הבנת הכימיה הייחודית שמתרחשת ברמה המולקולרית היא באמת חשובה כדי לאפשר את היישומים האלה."
מלבד היותו דלק בעלות נמוכה לכלי רכב כמו מטוסים, מכוניות וסירות שילוח, מתנול המופק מחשמל מתחדש יכול לשמש גם לחימום וייצור חשמל, וכדי לקדם תגליות כימיות עתידיות.
"יש הרבה דברים מרגשים שיכולים לבוא בהמשך על סמך מה שלמדנו כאן, ואת חלקם אנחנו כבר מתחילים לעשות ביחד", אמר בייקר. "העבודה נמשכת".
מחברים שותפים כוללים קונור ל. רוני והיליאנג וואנג מ אוניברסיטת ייל, הדר שמע ואלעד גרוס מהאוניברסיטה העברית, וכריסטינה זנג וג'וליאן א. פנטייר מאוניברסיטת בינגהמטון. עבודה זו נתמכה על ידי הקרן הלאומית למדע ושיתוף הפעולה הבינלאומי של קרן המדע הדו-לאומית של ארצות הברית-ישראל (BSF).
