تکنیک پلاسمای مبتنی بر آب برای تبدیل فوق‌العاده کارآمد دی‌اکسید کربن

دستاورد بزرگ علمی: تبدیل کارآمد دی‌اکسید کربن با نانوکاتالیزورهای پلاسمایی

محققان چینی با معرفی یک تکنیک نوآورانه پلاسمای مبتنی بر آب، موفق به سنتز نانوذرات آلیاژی پایدار با آنتروپی بالا (HEAs) شدند که مسیر را برای تبدیل فوق‌العاده کارآمد دی‌اکسید کربن (CO₂) به مونوکسید کربن (CO) با استفاده از نور مرئی و مادون قرمز هموار می‌کند. این دستاورد بر چالش‌های دیرینه در فعال‌سازی CO₂ غلبه کرده و نویدبخش توسعه فناوری‌های مقیاس‌پذیر و غیرفلزی برای کاهش کربن است.

این نانوذرات آلیاژی که حاوی پنج فلز با نسبت‌های تقریباً مساوی هستند، مستقیماً در محلول ایجاد شده‌اند و بدین ترتیب بر چالش‌های سنتز آلیاژ در مقیاس نانو فائق آمده‌اند. ذرات تولید شده یک پوسته اکسید شده خود محافظ تشکیل می‌دهند که عملکرد فتوترمال قوی را ارائه می‌دهد و کارایی تبدیل CO₂ به CO را به طور قابل توجهی نسبت به کاتالیزورهای تک فلزی افزایش می‌دهد.

این روش جدید، سرعت واکنش را تحت تابش افزایش و انرژی فعال‌سازی را کاهش می‌دهد و مسیری مقیاس‌پذیر و کاربردی را به سمت فناوری‌های تبدیل کربن با انرژی نور فراهم می‌کند.

چالش‌های فعال‌سازی CO₂ و مزیت سیستم‌های فوتوترمال

تلاش‌ها برای تبدیل دی‌اکسید کربن پایدار به مواد شیمیایی مفید همواره با چالش‌هایی روبرو بوده است. روش‌های سنتی:

• روش‌های حرارتی: نیازمند انرژی قابل توجهی هستند.
• مسیرهای نوری: اغلب متکی به نور ماوراء بنفش هستند که تنها بخش کوچکی از طیف خورشید را تشکیل می‌دهد.

سیستم‌های فوتوترمال با استفاده از نور مرئی و مادون قرمز، جایگزینی قدرتمند ارائه می‌دهند. این سیستم‌ها با تولید گرما و حامل‌های بار پرانرژی، موانع واکنش را بدون نیاز به فلزات گرانبها کاهش می‌دهند. با این حال، عملکرد آن‌ها به پایداری مواد در برابر نور و گرما و توانایی آن‌ها در انجام مراحل واکنش چندگانه وابسته است.

سنتز انقلابی نانوذرات آلیاژ با آنتروپی بالا

آلیاژهای با آنتروپی بالا (HEAs) که حاوی پنج یا تعداد بیشتری فلز در مقادیر تقریباً مساوی هستند، به دلیل ارائه محیط‌های فعال متنوع و پایداری فازی قوی، برای این نقش امیدوارکننده هستند. اما سنتز در مقیاس نانو به دلیل رفتارهای متفاوت فلزات و خطر جداسازی فاز، چالش‌برانگیز بود.

این مطالعه جدید، یک روش پلاسمایی را معرفی می‌کند که مستقیماً نانوذرات FeCoNiCrMn را در آب تولید می‌کند. فرآیند سنتز به شرح زیر است:

• پلاسما بین دو میله آلیاژی غوطه‌ور در حمام آب حاوی پایه‌های اکسیدی (مانند TiO₂) تشکیل می‌شود.
• الکترون‌ها و یون‌های پرانرژی، نواحی کوچکی از سطح آلیاژ را ذوب می‌کنند.
• قطرات آزاد شده به سرعت در آب خنک می‌شوند و از جداسازی فلزات جلوگیری می‌کنند.
• ذرات اکسید معلق، این قطرات را به دام می‌اندازند و از ادغام آن‌ها ممانعت می‌کنند.

نتیجه، مجموعه‌ای از نانوذرات تقریباً کروی با قطر حدود ۲۰۰ نانومتر است که ترکیب پنج فلزی مورد نظر را حفظ می‌کنند و نشان‌دهنده تطبیق‌پذیری قوی این رویکرد در تولید فرمولاسیون‌های HEA است.

عملکرد و مکانیزم تبدیل کارآمد کربن

بررسی‌های میکروسکوپی و طیف‌سنجی نشان می‌دهند که هر نانوذره دارای یک هسته فلزی است که توسط یک پوسته اکسید شده غنی از کروم و منگنز احاطه شده است. این پوسته خود محافظ به دلیل سرعت‌های متفاوت اکسیداسیون فلزات تشکیل می‌شود و پایداری ذره را در طول واکنش‌ها تضمین می‌کند.

آزمایش‌های کاتالیزوری نشان داد که این ماده دی‌اکسید کربن و هیدروژن را به مونوکسید کربن تبدیل می‌کند. تحت تابش نور، سرعت واکنش به ۱۷.۵۵ میلی‌مول بر گرم ساعت یا ۲۹۸.۱ میلی‌مول بر گرم HEAs ساعت افزایش می‌یابد که بسیار بالاتر از کاتالیزورهای تک فلزی است. نور همچنین انرژی فعال‌سازی را کاهش داده و واکنش را تسهیل می‌کند.

مکانیسم عملکرد کاتالیزور:

طیف‌سنجی بینشی در مورد نحوه عملکرد کاتالیزور ارائه می‌دهد:

داده‌های فوتوالکترون اشعه ایکس نشان می‌دهند که کبالت (Co) و نیکل (Ni) در زیر نور غنی از الکترون می‌شوند، در حالی که کروم (Cr) و منگنز (Mn) فقیر از الکترون می‌شوند و آهن (Fe) انتقال بار را تسهیل می‌کند. این توزیع بار، فعالیت کاتالیزوری را تقویت می‌کند. علاوه بر این، اکسیژن تولید شده در طول واکنش به اکسیدهای کروم و منگنز مهاجرت می‌کند و در نتیجه فعالیت کاتالیزور حفظ می‌شود.

مدل‌سازی‌های انجام شده و آزمایش‌ها روی سایر پایه‌ها، عملکرد مشابهی را نشان دادند که تأیید می‌کند این روش، کاتالیزورهای تبدیل CO₂ کارآمد، پایدار و مبتنی بر نور ایجاد می‌کند. جزئیات این تحقیقات در مجله Advanced Materials منتشر شده است.