A Facile Green Synthesis of Polyethyleneimine-Functionalized Graphene Oxide Frameworks with Enhanced CO₂ Capture and Selectivity

أصبح الهواء الذي نتنفسه يزداد ثقلاً بثاني أكسيد الكربون، وهو غاز ينبعث عندما نحرق الوقود الأحفوري من أجل الطاقة والصناعة. هذا التراكم يحبس الحرارة في الغلاف الجوي، مما يؤدي إلى الاحتباس الحراري وتغيير المناخ. ولإبطاء هذه العملية، يبحث العلماء عن مواد يمكنها أن تعمل مثل الإسفنج، حيث تسحب ثاني أكسيد الكربون من الهواء أو من مداخن المصانع. يتضمن أحد النهج الواعدة استخدام مواد صلبة تجذب جزيئات الغاز وتتمسك بها، وهي عملية تُعرف باسم الامتزاز. ولكي تعمل هذه المواد بشكل جيد، يجب أن تكون فعالة في التقاط ثاني أكسيد الكربون مع تجاهل الغازات الأخرى مثل النيتروجين، الذي يشكل معظم غلافنا الجوي. كما يجب أن تكون قادرة على إطلاق الغاز الملتقط حتى يمكن استخدام المادة مرة أخرى، وكل ذلك دون استهلاك الكثير من الطاقة.

قام باحثون في جامعة الملك فهد للبترول والمعادن في المملكة العربية السعودية، بالتعاون مع زملاء من تايوان، بتطوير طريقة جديدة لبناء مثل هذه المادة. لقد بدأوا بأكسيد الجرافين، وهو شكل رقيق من الكربون يشبه الصفائح ويكون غنياً بالأكسجين وله مساحة سطح كبيرة. وبمفرده، لا تعد هذه المادة جيدة جداً في صيد ثاني أكسيد الكربون. ولإصلاح ذلك، قام الفريق بربط بوليمر يسمى "بولي إيثيلين إيمين"، وهو غني بذرات النيتروجين التي تحب الارتباط بثاني أكسيد الكربون بشكل طبيعي. كان التحدي يكمس في كيفية ربط هذا البوليمر بطريقة تترك ذرات النيتروجين فيه مفتوحة وجاهزة للعمل، بدلاً من أن تكون مخفية أو محجوبة. وقد اكتشف الفريق أن السائل المستخدم أثناء عملية التصنيع كان المفتاح لفتح الإمكانات الكاملة للمادة.

أنشأ العلماء ثلاث نسخ مختلفة من مادة احتجاز الكربون هذه، حيث استخدم كل منها سائلاً مختلفاً لتوجيه عملية التجميع. في الطريقة الأولى، خلطوا صفائح الجرافين والبوليمر في الماء. وفي الثانية، استخدموا الإيثانول، وهو نوع من الكحول. وفي الثالثة، استخدموا عملية كيميائية تتضمن "ثنائي ميثيل فورماميد"، وهو مذيب يُستخدم غالباً في الكيمياء الصناعية، لعمل "غراء كيميائي" للبوليمر بالصفائح. وأظهرت النتائج اختلافاً واضحاً في الأداء بناءً على السائل المختار. فالمادة المصنوعة في الماء كانت الأكثر فعالية، حيث التقطت 35 سنتيمتراً مكعباً من ثاني أكسيد الكربون لكل جرام من المادة. أما النسخة المصنوعة في الإيثانول فكانت أقل فعالية، حيث التقطت 22.5 سنتيمتراً مكعباً، بينما التقطت النسخة المصنوعة باستخدام طريقة الغراء الكيميائي 12.6 سنتيمتراً مكعباً فقط. أما صفائح الجرافين الأصلية، بدون أي بوليمر ملحق بها، فقد تمكنت من التقاط 5.8 سنتيمتراً مكعباً فقط.

ويكمس سبب هذا الاختلاف في كيفية سلوك البوليمر داخل السائل. فعندما خلط الباحثون المكونات في الماء، تسببت القطبية العالية للسائل في جعل سلاسل البوليمر تتمدد وتنتصب، مثل شجرة تمتد أغصانها بالكامل. هذا الشكل المفتوح كشف عدداً هائلاً من مواقع النيتروجين، مما سمح لجزيئات ثاني أكسيد الكربون بالوصول إليها والارتباط بها بسهولة. وفي المق المقابل، تسببت بيئة الإيثانول في جعل سلاسل البوليمر تلتف لتصبح كرة ضيقة ومدمجة، مما أخفى العديد من مواقع النيتروجين وجعل الوصول إليها أصعب. أما طريقة الغراء الكيميائي، ورغم أنها خلقت رابطاً قوياً، فقد أزالت في الواقع بعض مجموعات الأكسجين من صفائح الجرافين التي كانت ضرورية لتثبيت البوليمر في مكانه، مما أدى إلى تقليل عدد سلاسل البوليمر الملتصقة إجمالاً.

ولفهم ما كان يحدث بالضبط على المستوى الجزيئي، استخدم الفريق محاكاة حاسوبية لتصور بنية المادة في بيئات مختلفة. وقد أكدت هذه المحاكاة أن سلاسل البوليمر في الماء انفتحت تماماً، مما خلق بنية ذات جذب كهربائي قوي يجذب ثاني أكسيد الكربون. وفي السوائل الأخرى، ظلت السلاسل أكثر انطواءً أو كان الارتباط أضعف. كما أظهرت الدراسة أن المادة المصنوعة بالماء كانت انتقائية للغاية، بمعنى أنها التقطت ثاني أكسيد الكربون حصرياً تقريباً بينما سمحت للنيتروجين بالمرور مباشرة. وعند اختبارها عبر سبع دورات متكررة من التقاط وتحرير الغاز، احتفظت المادة بأكثر من 93 بالمائة من قدرتها على العمل، مما يثبت أنها مستقرة ومتينة.

يسلط هذا البحث الضوء على أن نجاح مادة احتجاز الكربون يعتمد أقل على كمية البوليمر المضافة وأكثر على كيفية ترتيب ذلك البوليمر. فمن خلال اختيار الماء ببساطة كوسيط للتخليق، نجح الباحثون في إنشاء بنية تكون فيها المواقع النشطة متاحة لأقصى حد. يقدم هذا النهج مساراً بسيطاً، أخضر، وفعالاً نحو بناء مواد أفضل لتنظيف الغلاف الجوي، مما يظهر أن أقوى أداة في العلم أحياناً هي فهم كيفية سلوك الجزيء في قطرة من الماء.