لقد جعل العلماء للتو عملية احتجاز الكربون أرخص وأسهل بكثير

يمكن لمادة كربونية جديدة أن تجعل التقاط ثاني أكسيد الكربون₂ أرخص بكثير من خلال العمل بحرارة منخفضة.

احتجاز ثاني أكسيد الكربون (CO₂) قبل أن يدخل الغلاف الجوي هو وسيلة هامة للحد من انبعاثات الغازات الدفيئة. ومع ذلك، على الرغم من عقود من التطوير، لم يتم اعتماد هذه التقنيات على نطاق واسع. السبب الرئيسي بسيط. معظم الأساليب الحالية باهظة الثمن وغير فعالة. على سبيل المثال، تتطلب عملية تنقية الأمين المائي المستخدمة على نطاق واسع تسخين كميات كبيرة من السائل إلى درجات حرارة أعلى من 100 درجة مئوية لتحرير ثاني أكسيد الكربون المحتجز₂ وإعادة ضبط النظام. يؤدي هذا الطلب المرتفع على الطاقة إلى زيادة تكاليف التشغيل بشكل كبير ويحد من الاستخدام على نطاق واسع.

الممتزات القائمة على الكربون كبديل منخفض الطاقة

وقد ظهرت مواد الكربون الصلبة كخيار واعد. هذه المواد ميسورة التكلفة ولها مساحة سطحية كبيرة، مما يسمح لها بالتقاط ثاني أكسيد الكربون₂ وإطلاقه باستخدام حرارة أقل، خاصة عند وجود مجموعات وظيفية تحتوي على النيتروجين. ومع ذلك، كان هناك تحدي كبير. تضع طرق التخليق التقليدية مجموعات النيتروجين هذه بشكل عشوائي عبر المادة، وغالبًا ما تكون في أشكال مختلطة. تجعل هذه العشوائية من الصعب تحديد الترتيب المحدد المسؤول عن الأداء الأفضل.

مواد فيسيازيت جديدة ذات هيكل نيتروجين متحكم فيه

ولحل هذه المشكلة، قام فريق بحث بقيادة البروفيسور المشارك ياسوهيرو يامادا من كلية الدراسات العليا للهندسة والأستاذ المشارك تومونوري أوبا من كلية الدراسات العليا للعلوم في جامعة تشيبا باليابان، بتطوير فئة جديدة من المواد الكربونية المعروفة باسم “viciazites”. تم تصميم هذه المواد بحيث يتم وضع مجموعات النيتروجين بجانب بعضها البعض بطريقة يمكن التحكم فيها ويمكن التنبؤ بها. وشارك في تأليف الدراسة، التي نشرت في مجلة كاربون، السيد كوتا كوندو، وهو أيضا من جامعة تشيبا.

التوليف المصمم لتكوينات النيتروجين المجاورة

أنتج الباحثون ثلاثة أنواع مختلفة من الفيسيازيت، يتميز كل منها بترتيب نيتروجين مجاور مميز. لإنشاء مجموعات أمين أولية مجاورة (–NH₂ مجموعات)، قاموا بتسخين مركب يسمى كورونين، ثم عالجوه بالبروم، وأخيراً قاموا بتعريضه لغاز الأمونيا. حقق هذا النهج المكون من ثلاث خطوات انتقائية بنسبة 76%، مما يعني أن معظم ذرات النيتروجين تم وضعها في المواضع المقصودة.

قام الفريق أيضًا بتركيب مادتين إضافيتين باستخدام مركبات بداية مختلفة. يحتوي أحدهما على نيتروجين بيرولي مجاور بنسبة انتقائية 82%، في حين يحتوي الآخر على نيتروجين بيريديني مجاور بنسبة انتقائية 60%.

تأكيد الهيكل بالتقنيات المتقدمة

تم تطبيق المواد الثلاث على ألياف الكربون المنشط لإنشاء مواد ماصة قابلة للاستخدام. استخدم الباحثون بعد ذلك التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي، والتحليل الطيفي للأشعة السينية الضوئية، والنمذجة الحاسوبية للتحقق من أن مجموعات النيتروجين تم وضعها جنبًا إلى جنب بدلاً من توزيعها عشوائيًا.

اختلافات الأداء في CO₂ الالتقاط والإفراج

كشف الاختبار عن اختلافات واضحة في كيفية أداء المواد. تلك مع المجاورة –NH₂ أظهرت المجموعات والنيتروجين البيرولي المجاور تحسنًا في ثاني أكسيد الكربون₂ الامتصاص مقارنة بألياف الكربون غير المعالجة. في المقابل، أظهرت المادة ذات النيتروجين البيريديني المجاور تحسنًا طفيفًا.

وكانت النتيجة الأكثر بروزًا هي الامتزاز، وهو إطلاق ثاني أكسيد الكربون المحتجز₂ بحيث يمكن إعادة استخدام المواد. “كشف تقييم الأداء أنه في المواد الكربونية التي يتم فيها إدخال مجموعات NH2 بشكل متجاور، فإن معظم ثاني أكسيد الكربون الممتز₂ يمتص عند درجات حرارة أقل من 60 درجة مئوية. ومن خلال الجمع بين هذه الخاصية وحرارة النفايات الصناعية، قد يكون من الممكن تحقيق كفاءة ثاني أكسيد الكربون₂ يسلط الدكتور يامادا الضوء على العمليات التي يتم التقاطها مع انخفاض كبير في تكاليف التشغيل.

تتطلب المادة التي تحتوي على النيتروجين البيرولي درجات حرارة أعلى لثاني أكسيد الكربون₂ إطلاقه، ولكنه قد يوفر متانة أفضل بمرور الوقت بسبب ثباته الكيميائي الأقوى.

نحو الجيل القادم من مواد احتجاز الكربون

ومن خلال إثبات إمكانية إنشاء ترتيبات النيتروجين المجاورة بشكل موثوق، يوفر هذا البحث إطارًا واضحًا لتصميم مواد محسنة لاحتجاز الكربون. “حافزنا هو المساهمة في مجتمع المستقبل والاستفادة من مواد الكربون التي تم تطويرها مؤخرًا مع هياكل خاضعة للرقابة. يوفر هذا العمل مسارات معتمدة لتجميع مواد كربونية مصممة ومطعمة بالنيتروجين، مما يوفر التحكم على المستوى الجزيئي الضروري لتطوير الجيل التالي والفعال من حيث التكلفة والمتقدم لثاني أكسيد الكربون.₂ تقنيات الالتقاط،” يخلص الدكتور يامادا.

يقترح الفريق أيضًا أن الـ Viciazites قد تكون مفيدة خارج نطاق ثاني أكسيد الكربون₂ الالتقاط، بما في ذلك تطبيقات مثل إزالة أيونات المعادن أو العمل كمحفزات، وذلك بفضل خصائص سطحها القابلة للضبط بدقة.

المرجع: “Viciazites: مواد كربونية ذات وظائف نيتروجين مجاورة لثاني أكسيد الكربون المتقدم₂ التقاط” بواسطة كوتا كوندو، وآيان أوتشيزونو، وليزهي بو، وإيتسوكي تاكاهاشي، وريوشين سوزوكي، وسوتا ناكامورا، وكاي كان، وكازوما غوتوه، وتيتسورو سويجيما، وساتوشي ساتو، وتومونوري أوبا، وياسوهيرو يامادا، 27 فبراير/شباط 2026. الكربون.
دوى: 10.1016/j.carbon.2026.121405

تم دعم هذا العمل من قبل مؤسسة موكاي للعلوم والتكنولوجيا، والجمعية اليابانية لتعزيز العلوم (رقم المنحة JSPS KAKENHI JP24K01251)، و”البنية التحتية للبحث المتقدم للمواد وتكنولوجيا النانو في اليابان (ARIM)” التابعة لوزارة التعليم والثقافة والرياضة والعلوم والتكنولوجيا (MEXT) تحت رقم المنحة JPMXP1225JI0008.

لا تفوت أي اختراق: انضم إلى النشرة الإخبارية SciTechDaily.
تابعونا على جوجل و أخبار جوجل.