9 سپتامبر 2022 -توسط لورا فلچر، دانشگاه ایلینوی در شیکاگو -تصویری انتزاعی از عبور اتم‌ها از آب و غشای برق‌دار زیر یک خورشید درخشان. اعتبار: مینش سینگ
تیمی از محققان به سرپرستی مینش سینگ در دانشگاه ایلینویز شیکاگو راهی برای تبدیل 100 درصد دی اکسید کربن گرفته شده از اگزوزهای صنعتی به اتیلن، یک بلوک ساختار کلیدی برای محصولات پلاستیکی، کشف کردند.یافته های آنها در Cell Reports Physical Science منتشر شده است.
در حالی که محققان برای بیش از یک دهه در حال بررسی امکان تبدیل دی اکسید کربن به اتیلن هستند، رویکرد تیم UIC اولین رویکردی است که تقریباً 100٪ از دی اکسید کربن برای تولید هیدروکربن ها استفاده می کند. سیستم آنها از الکترولیز برای تبدیل گاز دی اکسید کربن جذب شده به اتیلن با خلوص بالا و سایر سوخت های مبتنی بر کربن و اکسیژن به عنوان محصولات جانبی استفاده می کند.
این فرآیند می تواند تا 6 متریک تن دی اکسید کربن را به 1 متریک تن اتیلن تبدیل کند و تقریباً تمام دی اکسید کربن جذب شده را بازیافت کند. از آنجایی که سیستم با برق کار می کند، استفاده از انرژی های تجدیدپذیر می تواند فرآیند کربن را منفی کند.
به گفته سینگ، رویکرد تیم او با کاهش کل خروجی دی اکسید کربن از صنعت، از هدف صفر خالص کربن سایر فناوری‌های جذب و تبدیل کربن فراتر می‌رود. او گفت: «این یک رشد منفی خالص است. به ازای هر 1 تن اتیلن تولید شده، 6 تن CO2 از منابع نقطه‌ای دریافت می‌کنید که در غیر این صورت در اتمسفر آزاد می‌شود.
تلاش های قبلی برای تبدیل دی اکسید کربن به اتیلن به راکتورهایی متکی بود که اتیلن را در جریان انتشار دی اکسید کربن منبع تولید می کردند. در این موارد، کمتر از 10٪ از انتشار CO2 معمولا به اتیلن تبدیل می شود. اتیلن باید بعداً در یک فرآیند انرژی بر که اغلب شامل سوخت های فسیلی است از دی اکسید کربن جدا شود.
در رویکرد UIC، یک جریان الکتریکی از یک سلول عبور می‌کند که نیمی از آن با دی اکسید کربن جذب شده و نیمی دیگر با محلول مبتنی بر آب پر شده است. یک کاتالیزور برق دار اتم های هیدروژن باردار را از مولکول های آب به نیمه دیگر واحد جدا شده توسط غشاء می کشد و در آنجا با اتم های کربن باردار مولکول های دی اکسید کربن ترکیب می شوند و اتیلن را تشکیل می دهند.
در میان مواد شیمیایی تولید شده در سراسر جهان، اتیلن از نظر انتشار کربن پس از آمونیاک و سیمان در رتبه سوم قرار دارد. اتیلن نه تنها برای تولید محصولات پلاستیکی برای صنایع بسته بندی، کشاورزی و خودروسازی، بلکه برای تولید مواد شیمیایی مورد استفاده در ضد یخ، ضدعفونی کننده های پزشکی و سایدینگ وینیل برای خانه ها استفاده می شود.
اتیلن معمولاً در فرآیندی به نام کراکینگ با بخار ساخته می شود که به گرمای بسیار زیادی نیاز دارد. کراکینگ حدود 1.5 متریک تن کربن به ازای هر تن اتیلن ایجاد شده تولید می کند. به طور متوسط، تولیدکنندگان سالانه حدود 160 میلیون تن اتیلن تولید می کنند که منجر به انتشار بیش از 260 میلیون تن دی اکسید کربن در سراسر جهان می شود.
علاوه بر اتیلن، دانشمندان UIC با رویکرد الکترولیز خود توانستند محصولات غنی از کربن دیگری را تولید کنند که برای صنعت مفید است. آنها همچنین به راندمان بسیار بالایی در تبدیل انرژی خورشیدی دست یافتند و 10 درصد از انرژی پانل های خورشیدی را مستقیماً به خروجی محصول کربن تبدیل کردند. این بسیار بالاتر از استاندارد پیشرفته 2٪ است. برای تمام اتیلنی که تولید کردند، بازده تبدیل انرژی خورشیدی حدود 4 درصد بود، تقریباً همان نرخ فتوسنتز.
