Bryophyte-Inspired Gas Diffusion Electrode Reveals Unex-pected CO Formation Kinetics under Dilute CO2

إن الغلاف الجوي مشبع بثاني أكسيد الكربون، وهو غاز يحبس الحرارة ويدفئ الكوكب. لعقود من الزمن، بحث العلماء عن طرق لتحويل هذا الغاز العادم إلى شيء مفيد، مثل الوقود أو المواد الكيميائية الصناعية، باستخدام الكهرباء المستمدة من الشمس أو الرياح. تتضمن هذه العملية، التي تسمى الاختزال الكهروكيميائي، تمرير تيار كهربائي عبر الماء الذي يحتوي على ثاني أكسيد الكربون المذاب لتفكيك الجزيئات وإعادة بنائها. التحدي يكمن في أن ثاني أكسيد الكربون الذي نطلقه فعلياً من المصانع ومحطات الطاقة نادراً ما يكون نقياً؛ فهو عادة ما يكون خليطاً رقيقاً، مخففاً بكميات هائلة من النيتروجين وغازات أخرى. تتطلب معظم الآلات المصممة للقيام بذلك حالياً ضرورة التقاط ثاني أكسيد الكربون وتنقيته وتركيزه أولاً، وهي خطوة تستهلك كميات هائلة من الطاقة والأموال. افترض الباحثون لفترة طويلة أنه إذا كان ثاني أكسيد الكربون رقيقاً جداً، فإن التفاعل سيتباطأ ببساطة أو يتوقف، مما يجعل الاستخدام المباشر لغازات العادم الصناعية غير عملي.

لقد تحدى فريق من الباحثين في جامعة نانجينغ للطيران والفضاء هذا الافتراض عبر بناء نوع جديد من الأقطاب الكهربائية يحاكي الهياكل الشبيهة بالجذور في الطحالب. اكتشفوا أنه عندما غدّوا هذا الجهاز بخليط يحتوي على عشرة بالمائة فقط من ثاني أكسيد الكربون، فإن التفاعل لم يتباطأ كما هو متوقع. بدلاً من ذلك، تسارع، منتجاً أول أكسيد الكربون — وهو مكون رئيسي لصنع الوقود والبلاستيك — بشكل أسرع مما كان عليه مع ثاني أكسيد الكربون النقي. يشير هذا الاكتشاف غير المتوقع إلى أن طريقة حركة الغاز وتفاعله مع سطح القطب تتغير بطريقة مفيدة عندما يتم تخفيف الغاز، مما يفتح مساراً لتحويل غازات العادم الصناعية مباشرة إلى منتجات قيمة دون الحاجة إلى خطوات تنقية مكلفة.

بدأ الباحثون بالنظر في كيفية حركة الغازات عبر المسام الدقيقة للقطب الكهربائي. في الأجهزة القياسية، تكون هذه المسام عبارة عن شبكة متشابكة وفوضوية، مثل غابة من الأشجار الساقطة حيث يجب على جزيء الغاز أن يرتد في كل الاتجاهات ليجد طريقه عبر المسار. صمم الفريق بنية جديدة مستوحاة من "الريزيدات" (rhizoids) الموجودة في النباتات الحجرية، وهي الشعيرات الشبيهة بالجذور في الطحالب التي تساعدها على امتصاص العناصر الغذائية من التربة. قاموا بتنمية طبقة من أسلاك النحاس التي تقف مستقيمة ومتوازية تماماً، مما خلق مجموعة من الطرق السريعة المفتوحة والمنظمة ليسري عبرها الغاز. أظهرت المحاكاة الحاسوبية أنه بينما يتخذ جزيء الغاز في شبكة مسامية فوضوية مساراً طويلاً ومتعرجاً، فإن الجزيء في هذه القنوات النحاسية المستقيمة يمكنه التحرك مباشرة إلى موقع التفاعل. وعندما اختبروا ذلك في المختبر، سمحت هذه القنوات المستقيمة لثاني أكسيد الكربون بالوصول إلى المحفز بشكل أسرع بكثير من الطبقات الفوضوية التقليدية، حتى عندما تم تخفيف الغاز بالنيتروجين.

ومع ذلك، كانت سرعة الغاز هي نصف القصة فقط. كان على الفريق أيضاً إيجاد محفز، وهو مادة تسرع التفاعل الكيميائي، يمكنه العمل بكفاءة في هذه البيئة الجديدة. اختاروا الزنك، وهو معدن شائع ورخيص، لكنهم احتاجوا إلى تشكيله بطريقة محددة للغاية. ومن خلال التحكم في التيار الكهربائي المستخدم لترسيب الزنك على أسلاك النحاس، أنشأوا نوعين مختلفين من الأسطح. أحدهما، أطلقوا عليه اسم "القشرة"، شكل طبقة ملساء ومنتظمة. أما الآخر، فقد أسموه "الورقة"، ونما ليصبح بنية معقدة ومتعددة الطبقات تشبه كومة من الأوراق السداسية الصغيرة. تكونت هذه البنية الشبيهة بالورقة لأن العملية الكهربائية خلقت بيئة دقيقة عالية القلوية (قاعدية) مباشرة عند سطح المعدن. هذا التغيير المحلي في الكيمياء أجبر الزنك على ترتيب نفسه في وجه بلوري محدد، يُعرف باسم الوجه (100)، وهو ممتاز جداً في التقاط ثاني أكسيد الكربون وتحويله إلى أول أكسيد الكربون.

عندما اختبروا هذه الأقطاب الكهربائية الجديدة، كانت النتائج مذهلة. عمل محفز الزنك ذو الشكل الورقي بشكل جيد عبر نطاق واسع من الظروف، من الوسط الحمضي إلى الوسط القلوي العالي، واستطاع العمل بسرعات عالية جداً دون فقدان قدرته على اختيار المنتج الصحيح. ولكن الاكتشاف الأكثر إثارة للدهشة جاء عندما اختبروا الجهاز بتركيزات مختلفة من ثاني أكسيد الكربون. اقترح العرف السائد أنه كلما زاد تركيز ثاني أكسيد الكربون في مجرى الغاز، زادت سرعة التفاعل. وبدلاً من ذلك، وجد الفريق ذروة في الأداء عند تركيز عشرة بالمائة. عند هذا المستوى المحدد، أنتج القطب أول أكسيد الكربون بشكل أسرع مما فعله مع ثاني أكسيد الكربون النقي أو مع الخلطات الأكثر تخفيفاً. وهذا يعني أن حركية التفاعل، أي سرعة وآلية التغيير الكيميائي، كانت تتصرف بطريقة غير رتيبة، حيث تزداد سرعة التفاعل كلما أصبح الغاز أخف، وصولاً إلى نقطة معينة.

لفهم سبب حدوث ذلك، تعمق الباحثون في الكيمياء التي تحدث عند سطح القطب الكهربائي. استخدموا تقنيات خاصة لمراقبة التفاعل في الوقت الفعلي ووجدوا أن المفتاح لم يكن فقط ثاني أكسيد الكربون، بل جزيئات الماء الموجودة بجوار سطح المعدن مباشرة. في خليط الغاز المخفف، شكلت جزيئات الماء نوعاً معيناً من الروابط، حيث تمسك ببعضها البعض برابطتين هيدروجينيتين بدلاً من الأربع المعتادة. كانت هذه الجزيئات المائية "ثنائية الرابطة" أكثر مرونة وتفاعلية؛ حيث استطاعت منح ذرة هيدروجين لجزيء ثاني أكسيد الكربون بسهولة أكبر، مما ساعد في تكوين خطوة وسيطة حاسمة في التفاعل. وجد الباحثون أن هذا الماء التفاعلي كان الحلقة المفقودة التي سمحت للتفاعل بالمضي قدماً بهذه السرعة تحت ظروف التخفيف. وبدون هذا الترتيب المحدد لجزيئات الماء، كان التفاعل سيكون أبطأ، لكن وجود النيتروجين في مجرى الغاز شجع بطريقة ما على تكوين هذا الهيكل المائي المفيد.

إن تداعيات هذا الاكتشاف كبيرة فيما يتعلق بكيفية التعامل مع غازات العادم الصناعية. نظرًا لأن التفاعل يعمل بشكل جيد مع خليط بنسبة عشرة بالمائة، فقد أظهر الفريق أنه يمكنهم تحويل ما يقرب من جميع جزيئات ثاني أكسيد الكربون في تمريرة واحدة عبر الجهاز، محققين كفاءة تحويل تصل إلى اثنين وتسعين بالمائة. وهذا مستوى من الأداء يتطلب عادةً تغذية غاز نقية. علاوة على ذلك، ولأن سرعة التفاعل تتغير بتغير تركيز الغاز، فقد أثبت الفريق أنه يمكنهم ضبط مخرجات الجهاز لإنتاج خلطات مختلفة من أول أكسيد الكربون والهيدروجين. تتيح هذه المرونة الإنشاء المباشر لغاز التصنيع (syngas) — وهو خليط يستخدم لصنع العديد من المواد الكيميائية الصناعية — ببساطة عن طريق ضبط تدفق غاز العادم، مما يلغي الحاجة إلى عمليات معالجة لاحقة معقدة.

اختبر الباحثون أيضاً متانة جهازهم. فقد أجروا التجربة بشكل مستمر لأكثر من عشرين ساعة باستخدام خليط غاز يحاكي غاز العادم الصناعي الحقيقي، والذي يحتوي على خمسة عشر بالمائة من ثاني أكسيد الكربون. حافظ الجهاز على مخرجات ثابتة، مما أثبت أن البنية الشبيهة بالورقة يمكنها الصمود في ظل الظروف القاسية للتشغيل في العالم الحقيقي. وبينما أصبحت السطح أقل مقاومة للماء قليلاً بمرور الوقت، إلا أن البنية العامة ظلت سليمة، وكان تراجع الأداء ضئيلاً. وهذا يشير إلى أن هذا النهج قوي بما يكفي للتطبيق الصناعي المحتمل.

هذا العمل يغير الطريقة التي يفكر بها العلماء في استخدام ثاني أكسيد الكربون المخفف. لفترة طويلة، كان التركيز منصباً على كيفية جعل الغاز نقياً بما يكفي لاستخدامه. تُظهر هذه الدراسة أن التخفيف نفسه يمكن أن يكون ميزة، حيث يخلق بيئة كيميائية فريدة تسرع التفاعل. ومن خلال الجمع بين نظام نقل مستوحى من الطحالب ومحفز زنك مشكل بعناية، وجد الباحثون طريقة لتحويل مشكلة صعبة — وهي الغاز منخفض التركيز — إلى حل. لقد أظهروا أن الواجهة بين الغاز والماء والمعدن هي مكان ديناميكي حيث يمكن إعادة كتابة قواعد الكيمياء، مما يفتح الباب أمام طرق أكثر كفاءة ومباشرة لتنظيف الهواء وإنتاج مواد مفيدة.