جذب گازهای گلخانه‌ای با استفاده از نور

تحت کنترل نور
پژوهشگران به سرپرستی «ماریا لوکاتسکایا»(Maria Lukatskaya) استاد سیستم‌های انرژی الکتروشیمیایی، از این ویژگی استفاده کرده‌اند که دی‌اکسید کربن در مایعات آبی اسیدی، به صورت دی‌اکسید کربن وجود دارد اما در مایعات آبی قلیایی، واکنش نشان می‌دهد و نمک‌های اسید کربنیک موسوم به کربنات‌ها را ایجاد می‌کند. این واکنش شیمیایی برگشت‌پذیر است. اسیدیته یک مایع تعیین می‌کند که حاوی دی‌اکسید کربن یا کربنات است.
پژوهشگران برای تأثیرگذاری بر اسیدیته مایع، مولکول‌هایی به نام «فوتواسید»(Photoacid) را به آن اضافه کردند که به نور واکنش نشان می‌دهند. اگر چنین مایعی در معرض نور قرار بگیرد، مولکول‌ها آن را اسیدی می‌کنند. مولکول‌ها در تاریکی به حالت اولیه باز می‌گردند و مایع را قلیایی‌تر می‌کنند.

این روش به طور دقیق کار می‌کند. پژوهشگران با عبور دادن هوا از مایعی حاوی فوتواسید در تاریکی، دی‌اکسید کربن را از هوا جدا می‌کنند. از آنجا که این مایع قلیایی است، دی‌اکسید کربن واکنش نشان می‌دهد و کربنات را ایجاد می‌کند. به محض اینکه املاح موجود در مایع به میزان قابل توجهی انباشته شدند، پژوهشگران نور را به مایع تاباندند. این کار به اسیدی شدن آن منجر شد و کربنات‌ها به دی‌اکسید کربن تبدیل شدند. دی‌اکسید کربن از مایع خارج می‌شود و می‌توان آن را در مخازن گاز جمع‌آوری کرد. هنگامی که دی‌اکسید کربن به سختی در مایع باقی می‌ماند، پژوهشگران نور را خاموش می‌کنند و چرخه دوباره آغاز می‌شود و مایع آماده جذب کردن دی‌اکسید کربن است.

با وجود این، در عمل یک مشکل وجود داشت و آن این بود که فوتواسیدهای مورد استفاده در آب ناپایدار هستند. «آنا دو وریس»(Anna de Vries) از پژوهشگران این پروژه گفت: ما در جریان آزمایش‌های اولیه‌ متوجه شدیم که مولکولها پس از یک روز تجزیه می‌شوند.

لوکاتسکایا، دو وریس و همکارانشان، روند تجزیه مولکول را بررسی کردند. آنها این مشکل را با انجام دادن واکنش نه در آب، بلکه در مخلوطی از آب و یک حلال آلی برطرف کردند. دانشمندان توانستند نسبت بهینه این دو مایع را با بررسی‌های آزمایشگاهی تعیین کنند و به لطف آزمایش‌های انجام‌شده توسط پژوهشگران «دانشگاه سوربن»(Sorbonne University)، یافته‌های خود را توضیح دهند.

این کار، پژوهشگران را قادر ساخت تا مولکول‌های فوتواسید را تقریبا یک ماه در محلول ثابت نگه دارند. از سوی دیگر، اطمینان حاصل شد که می‌توان از نور برای تعویض محلول بین اسیدی و قلیایی بودن استفاده کرد. اگر از حلال آلی بدون آب استفاده شود، واکنش غیرقابل برگشت خواهد بود.

واکنش بدون گرما
سایر فرآیندهای جذب کربن نیز چرخه‌ای هستند. یک روش ثابت‌ شده با استفاده از فیلترهایی صورت می‌گیرد که مولکول‌های دی‌اکسید کربن را در دمای محیط جمع‌آوری می‌کنند. برای حذف کردن دی‌اکسید کربن از فیلترها، آنها باید تا حدود ۱۰۰ درجه سلسیوس گرم شوند اما گرمایش و سرمایش، انرژی مصرف می‌کنند. آنها سهم عمده‌ای از انرژی مورد نیاز روش فیلتر را تشکیل می‌دهند. لوکاتسکایا گفت: در مقابل، فرآیند ما به گرمایش یا سرمایش نیاز ندارد. بنابراین، انرژی بسیار کمتری را مصرف می‌کند.

علاوه بر این، روش جدید پژوهشگران مؤسسه فناوری فدرال زوریخ می‌تواند تنها با نور خورشید کار کند. دو وریس توضیح داد: یکی دیگر از جنبه‌های جالب سیستم ما این است که می‌توانیم آن را در عرض چند ثانیه از حالت قلیایی به اسیدی و در عرض چند دقیقه به حالت قلیایی بازگردانیم. این کار به ما امکان می‌دهد تا جابه‌جایی بین جذب و انتشار کربن را بسیار سریع‌تر از یک سیستم مبتنی بر دما انجام دهیم.

پژوهشگران در این پروژه نشان دادند که می‌توان از فوتواسیدها در آزمایشگاه برای جذب دی‌اکسید کربن استفاده کرد. گام بعدی آنها در راه رسیدن به بازار، افزایش دادن پایداری مولکول‌های فوتواسید خواهد بود. همچنین، پژوهشگران باید پارامترهای کل این فرآیند را برای بهینه‌سازی بیشتر بررسی کنند.
این پژوهش در مجله «Chemistry of Materials» به چاپ رسید.