تعمل مركبات السيريوم والزركونيوم الجديدة على تعزيز كفاءة التقاط الكربون

لقد ظهر تغير المناخ كتحدي محدد للتنمية البشرية المستدامة. وفقا لبيانات منظمة الأرصاد الجوية العالمية (WMO) ،ارتفعت تركيزات ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي من 340 جزء في المليون في عام 1980 إلى 408 جزء في المليون في عام 2019مع استمرار الوقود الأحفوري في السيطرة على استهلاك الطاقة العالمي،الاستخدام، وتكنولوجيات التخزين (CCUS) أصبحت مسارات حاسمة نحو حلول صناعية مستدامة.

ومع ذلك، يواجه التقاط غازات الدخان الصناعية تحديات فيزيائية كيميائية هائلة. وتحتوي انبعاثات محطات توليد الكهرباء التي تعمل بالفحم ومصانع الأسمنت ومصانع الصلب على خليطات غازية معقدة تتجاوز ثاني أكسيد الكربون.بما في ذلك N2، O2، SOx، NOx، وتركيزات عالية من بخار الماء (H2O).وجود بخار الماء يخلق ما يسميه العلماء "لعنة الرطوبة" حيث تتنافس جزيئات الماء مع ثاني أكسيد الكربون لمواقع الامتصاص على المواد المسامية التقليدية مثل الزيوليتوالكربون المنشط، و MOFs، وغالبا ما يسبب انخفاضا كارثيا في الكفاءة في ظل ظروف العالم الحقيقي.والاستقرار الحراري الكيميائي أصبح الكأس المقدسة لعلوم المواد والهندسة البيئية.

من بين المرشحين المختلفين للمواد ، تبرز مركبات أكسيد السيريوم الزركونيوم (Ce-Zr) بسبب بنيتها الإلكترونية الفريدة والبلاستيكية الشبكة.يمتلك أكسيد السيريوم (CeO2) قدرة استثنائية على تخزين الأكسجين وخصائص التكسير الحاد، في حين أن زيركونيوم (Zr4 +) الدوبينج يحفز تحويل تحسينات الأداء من خلال تشويه الشبكة.

• هندسة العيوب:إن نصف قطر الأيونات الأصغر من Zr4 + (0.84 Å) مقارنة مع Ce4 + (0.97 Å) يخلق تشويهًا كبيرًا للشبكة عندما يتم تعديله إلى CeO2.هذا لا يقتصر على خفض طاقة تشكيل فراغ الأكسجين ولكن يولد فراغات الأكسجين السطحية وفيرة التي تعمل كمراكز نشطة لـ CO2 chemisorption.
• مزايا النانو:معالجة النانو تزيد بشكل كبير من طاقة السطح وكثافة الموقع النشط. في النانو ، تظهر مركبات Ce-Zr حركية الانتشار الاستثنائية ، مما يقلل من مسارات نقل جزيئات الغاز.
• الاستقرار الحراري:يقدم الرابط القوي Zr-O قدرة ملحوظة على مكافحة التخزين ، مما يسمح للمادة بمقاومة تقلبات درجة حرارة غازات الدخان الصناعية مع الحفاظ على سلامة الهيكل.

لقد وضع الباحثون بروتوكولات تجميع متطورة لبناء الهياكل الميزوبورية المثالية:

• هطول الأمطار المشترك:مناسبة للإنتاج على نطاق واسع ، لتحقيق توزيع Ce-Zr على المستوى الذري من خلال سعر الحموضة والمواساة المسيطر عليها.
• طريقة الجل:يخلق شبكات ثلاثية الأبعاد من خلال التحلل المائي والتكثيف المتعدد ، مما يسهل تشكيل المسام اللاحقة أثناء المعالجة الحرارية.
• التركيب الحراري المائي المنسوج:المعيار الذهبي الحالي ، باستخدام CTAB أو Pluronic P123 كعوامل توجيه الهيكل للسيطرة بدقة على توزيع حجم المسام ومساحة السطح.هذا التصميم "حاوية صغيرة" يضمن دخول كفاءة ثاني أكسيد الكربون والامتصاص الكيميائي.

تظهر دراسات العلاقة بين الهيكل والنشاط أن نسبة Ce / Zr هي المنظم الحاسم للأداء.تظهر مواقع الأكسجين السطحية بالقرب من Ce ((III) قدرة امتصاص أقوى بكثير من مواقع Ce ((IV) أو Zrعندما يتم تحسينها، تصل نسبة Ce ((III) / Ce ((IV) إلى التوازن، مما يزيد من قوة امتصاص الكيمياء لـ CO2 إلى الحد الأقصى.يمكن لواجهات Ce-Zr المضبوطة تحديدًا امتصاص ثاني أكسيد الكربون من خلال التفاعلات الكهربائية، وتحايل فعلياً على "لعنة الرطوبة" التي تعاني منها المواد التقليدية.

البحوث المكونة من النانو Ce-Zr لا توضح فقط آليات الامتصاص على المستوى الجزيئي ولكن ترسم مخططات التطور الحتمي نحو المواد الصناعية عالية الأداء ومستقرة لالتقاط الكربون.بينما نجاحات المختبر واعدة، يجب أن تركز الأعمال المستقبلية على:

• التحقيق في آليات الاستجابة الديناميكية تحت درجات حرارة ومعاناة مختلفة وضغوط وتكوينات غازات الدخان المعقدة.
• التحقق من صحة التكامل على نطاق صناعي عن طريق تحويل المواد النانوية في المختبر إلى مادة مساحقة.
• تحسين تكاليف الإنتاج لتمكين التطبيق الصناعي على نطاق واسع.

كوسيلة ثورية لالتقاط الكربون، التركيبات النانوية Ce-Zr تفتح العصر الجديد لتكنولوجيا التقاط الكربون الصناعية.هذه التكنولوجيا تعد بأن تصبح حجر الزاوية في جهود التخفيف من تغير المناخ العالمي و محايدية الكربون.