مواد و ساخت پیشرفته

وانادیوم، عنصری شیمیایی که از نظر بصری آنقدر جذاب و چشم‌نواز است که به نام یک الهه (وانادیس) نامگذاری شده است، سطح واکنش پذیری دقیقا به اندازه - نه زیاد و نه خیلی کم - را نشان می‌دهد که آن را به یک نامزد قوی به عنوان یک ابزار حذف کننده کربن تبدیل می‌کند. تحقیقات دانشمندان دانشگاه ایالتی اورگان، که در Chemical Science منتشر شده است، توانایی مولکول‌های پراکسید وانادیم در واکنش و اتصال به دی‌اکسید‌کربن را نشان داده است که گامی مهم به سمت فناوری‌های روبه بهبود برای حذف دی اکسید کربن از جو هوا به شمار می‌رود.

این مطالعه بخشی از یک تلاش بیست و چهار میلیون دلاری ملی آمریکا برای توسعه روش‌های جدید به منظور جذب مستقیم دی‌اکسید‌کربن از هوا است، این گاز گلخانه‌ای که از سوزاندن سوخت‌های فسیلی تولید می‌شود با تغییرات آب و هوایی مرتبط است. تأسیساتی که کربن را از هوا فیلتر می‌کنند در سرتاسر جهان شروع به ظهور کرده‌اند اما هنوز در مراحل ابتدایی خود هستند. البته فناوری‌های کاهش دی‌اکسید‌کربن در نقطه ورود به جو، مانند نیروگاه‌ها، به خوبی توسعه یافته است. دانشمندان می‌گویند اگر زمین بخواهد از سناریوهای ناگوار پیامدهای تغییرات آب و هوایی جلوگیری کند احتمالاً هر دو نوع فناوری جذب کربن مورد نیاز خواهند بود.

پروفسور ترنس برادشاو از کالج علوم در سال 2021 میلادی، به عنوان رهبر یکی از نه پروژه جذب مستقیم از هوا که توسط وزارت انرژی ایالات متحده تامین مالی می‌شد، انتخاب گشت. تیم او در حال بررسی این موضوع است که چگونه برخی از کمپلکس‌های فلزات واسطه می‌توانند با هوا واکنش نشان دهند تا دی‌اکسید‌کربن را حذف کرده و آن را به کربنات فلزی تبدیل نمایند، مشابه آنچه در بسیاری از مواد معدنی طبیعی یافت می‌شود. فلزات واسطه در نزدیکی مرکز جدول تناوبی قرار دارند و نام آنها از توانایی‌شان در انتقال الکترون‌ها از حالت‌های کم انرژی به حالت‌های پرانرژی و بازگشت مجدد که باعث ایجاد رنگ‌های متمایز می‌شود گرفته شده است.

برای این مطالعه، دانشمندان بر روی وانادیوم که نام قدیمی الهه عشق منطقه اسکاندیناوی گرفته شده است بهره گرفتند. این الهه اشک‌هایش به طلا تبدیل می‌شد. نایمن توضیح می‌دهد که دی‌اکسیدکربن در جو با چگالی 400 قسمت در میلیون وجود دارد. یعنی به ازای هر یک میلیون مولکول هوا، 400 عدد یا 0.04 درصد از آنها دی‌اکسید‌کربن است. یکی از چالش‌های جذب مستقیم از هوا، یافتن مولکول‌ها یا موادی است که به اندازه کافی انتخابی باشند، یا مقابله با دیگر واکنش‌ها که از واکنش با دی‌اکسید‌کربن پیشی می‌گیرد. برای مثال واکنش‌های با آب که در مولکول‌ها هوا فراوان‌تر است.

او ادامه می‌دهد که تیم ما مجموعه‌ای از مولکول‌ها را سنتز کرد که شامل سه بخش می‌شود که در حذف دی‌اکسید کربن از جو هوا مهم هستند و با هم کار می‌کنند. یکی از این قسمت‌ها وانادیوم بود که به دلیل طیف رنگ‌های زیبایی که می‌تواند نشان دهد به این نام نامگذاری شده است و قسمت دیگر پراکسید بود که به وانادیوم می‌چسبید. نایمن می‌گوید از آنجاییکه یک مولکول پراکسید وانادیم دارای بار منفی است، برای تعادل بار به کاتیون‌های قلیایی نیاز داشت و از اینرو برای این مطالعه از کاتیون‌های قلیایی پتاسیم، روبیدیم و سزیم استفاده شد.

او افزود که همچنین همکاران سعی کردند فلزات دیگری را از همان منطقه در جدول تناوبی با وانادیوم جایگزین کنند ولی تنگستن، نیوبیم و تانتالیوم در این شکل شیمیایی مؤثر نبودند. از سوی دیگر، مولیبدن آنقدر واکنش‌پذیر بود که گاهی اوقات منفجر می‌شد. علاوه بر این، دانشمندان آمونیوم و تترمتیل آمونیوم را که اولی کمی اسیدی است را جایگزین قلیایی‌ها کردند. این ترکیبات اصلاً واکنش نشان ندادند، معمایی که محققان هنوز در تلاش برای درک آن هستند. نایمن ابراز داشت  وقتی پراکسید را حذف کردیم، باز هم واکنش‌پذیری چندانی نداشت. اما از این نظر، پراکسید وانادیوم این ماده ارغوانی زیبا و کاملا اندازه و همه‌چیز تمام است که وقتی در معرض هوا قرار می‌گیرد طلایی می‌شود و به مولکول دی‌اکسید‌کربن متصل می‌گردد.

او خاطرنشان می‌کند که یکی دیگر از ویژگی‌های ارزشمند وانادیوم این است که اجازه می‌دهد دمای آزادسازی نسبتاً پایینی در حدود دویست درجه سانتی‌گراد برای دی‌اکسیدکربن جذب‌شده داشته باشد. این میزان در مقایسه با فلزات دیگری که برای جذب کربن استفاده می‌شوند مانند پتاسیم، لیتیوم یا سدیم چیزی در حدود هفتصد درجه سانتیگراد است! توانایی آزادسازی مجدد دی‌اکسیدکربن جذب شده، استفاده مجدد از مواد جاذب کربن را امکان‌پذیر می‌کند و هر چه دمای مورد نیاز برای انجام این کار کمتر باشد، انرژی کمتری مورد نیاز است و هزینه کمتری دارد.

ایده‌های بسیار هوشمندانه‌ای که در مورد استفاده مجدد از این کربن جذب شده وجود دارد مانند لوله‌کشی و ارسال این دی‌اکسیدکربن جذب شده به گلخانه برای رشد گیاهان که مورد اجرا نیز قرار گرفته شده است.

منبع