دانشمندان برای اولین بار موفق شدهاند با استفاده از روشی نوین، فرآیند تبدیل دیاکسید کربن (CO2) جذب شده از هوا به گرافیت جامد را در لحظه مشاهده کنند. این دستاورد میتواند راه را برای تولید مواد ضروری باتریها و سایر تجهیزات صنعتی، همزمان با کاهش آلودگی هوا، هموار سازد.
این فناوری که بر پایه الکترولیز نمک مذاب استوار است، با عبور جریان الکتریکی از نمکهای داغ، مولکولهای دیاکسید کربن را تجزیه کرده و کربن را به شکل جامد، مانند گرافیت، جدا میکند. پیش از این، جزئیات دقیق این واکنش که در دمای حدود ۵۰۰ درجه سانتیگراد رخ میدهد، به طور کامل مشخص نبود.
پژوهشگران به سرپرستی ساندر راتسو از دانشگاه کالیفرنیا، برکلی، با استفاده از میکروسکوپ عملیاتی رامان، توانستند این فرآیند را به صورت زنده رصد کرده و تغییرات ساختاری و ارتعاش مولکولها را در طول واکنش ثبت کنند. این تکنیک به دانشمندان اجازه میدهد تا با دقت بیشتری نحوه تشکیل گرافیت و سایر اشکال کربن را درک کنند.
راتسو در این باره میگوید: “تصور کنید قبلاً در اجاقی دربسته آشپزی میکردیم، اما حالا پنجرهای به آن اضافه کردهایم. درک چگونگی پیشرفت این واکنش و تکامل ساختار کربن، اولین گام برای کنترل و در نهایت طراحی ساختار دلخواه کربن خروجی از الکترولیز است.”
این پیشرفت در راستای تلاشهای گستردهتر برای سنتز مواد حیاتی و مواد باتری با استفاده از نمکهای مذاب صورت گرفته است. مایک ویتاکر، زمینشناس در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی، این روش را “یک پیروزی بزرگ” در این زمینه توصیف میکند.
با استفاده از طیفسنجی رامان، محققان متوجه شدند که در طول فرآیند، ابتدا گونههای پراکسید کربن جذب شده ظاهر میشوند و سپس کربن به تدریج رسوب میکند. این مشاهدات، فرضیههای قبلی مبنی بر نقش پراکسید به عنوان یک ماده واسطه در این واکنش را تأیید کرد. همانطور که راتسو و تیمش در مقاله خود نوشتند اشاره کردند، “باند پراکسید به طور قابل تکرار ظاهر میشود و همزمان با رسوب کربن افزایش مییابد، که شواهد مستقیمی مبنی بر نقش پراکسید به عنوان واسطه مکانیکی در مسیر تبدیل CO2 به کربن تحت شرایط ما ارائه میدهد.” دانشمندان در سال ۱۹۹۹ پیش از این پیشنهاد کرده بودند که پراکسید ممکن است بخشی از این فرآیند باشد.
نوع کربن رسوبیافته بسته به نوع کاتد مورد استفاده، متفاوت است. برای مثال، روی کاتد نیکل خالص، نانولولهها و صفحات کربنی تشکیل میشود، در حالی که کاتد طلایی منجر به تودههای نامنظم کربن میشود. این تنوع در اشکال کربن میتواند به دانشمندان کمک کند تا فرآیند را برای تولید اشکال خاص مورد نیاز در باتریها، گوشیهای هوشمند و تجهیزات صنعتی بهینه کنند.
ویتاکر معتقد است که اگر این فرآیند بتواند در دماهای پایین و با استفاده از نمکهای ارزان قیمت انجام شود، میتواند به طور گستردهای مورد استفاده قرار گیرد و گرافیت کافی برای زنجیرههای تأمین باتری تولید کند.
چندین شرکت در حال حاضر از این فناوری در مقیاس صنعتی استفاده میکنند و کیلوگرمها تا تنها محصول کربنی تولید میکنند. راتسو یکی از بنیانگذاران یکی از این شرکتهاست. او توضیح میدهد که روشهای سنتی برای بهبود خواص مواد کربنی، زمانبر و پرهزینه بوده است، زیرا نیازمند آزمایش و خطا و اندازهگیریهای متعدد پس از تولید ماده بوده است.
بینشهای حاصل از میکروسکوپ عملیاتی رامان میتواند این فرآیند را بسیار کارآمدتر کند. روشهای فعلی تولید کربن برای باتریها و سلولهای سوختی، انتشار کربن قابل توجهی دارند. بنابراین، تولید گرافیت از دیاکسید کربن موجود در جو، یک مفهوم بسیار جذاب است که نه تنها میتواند انتشار آلایندهها را در آینده کاهش دهد، بلکه به جذب بخشی از کربن منتشر شده در گذشته نیز کمک کند.
اگرچه متخصصان معتقدند که جذب، استفاده و ذخیرهسازی کربن به تنهایی برای حل مشکلات اقلیمی کافی نیست، اما راتسو بر این باور است که این تکنیک تولید گرافیت میتواند نقش مهمی ایفا کند. او میگوید: “روش الکترولیز نمک مذاب میتواند این مواد را با اثرات کربن منفی تولید کند، به خصوص اگر با انرژیهای تجدیدپذیر مانند باد، خورشید یا انرژی هستهای همراه شود. من قاطعانه معتقدم که این یکی از مهمترین فناوریهایی است که میتواند تأثیر واقعی بر سطوح CO2 در محیط زیست داشته باشد.”
این تحقیق در ارتباطات طبیعت منتشر شده است.
