برگ مصنوعی: انقلابی که دی‌اکسید کربن را به سوخت‌ها و مواد شیمیایی ارزشمند تبدیل می‌کند

این دستگاه شامل یک برگ مصنوعی ساخته‌شده از پروسکایت (نوعی سلول خورشیدی با راندمان بالا) و یک کاتالیزور نانوگل مسی است که دی‌اکسید کربن را به مولکول‌های ارزشمند تبدیل می‌کند.
 
گفتنی است برخلاف اکثر کاتالیزورهای فلزی که فقط می‌توانند CO₂ را به مولکول‌های تک‌کربنی تبدیل کنند، نانوگل‌های مسی امکان تولید هیدروکربن‌های پیچیده‌تری مانند اتان و اتیلن را فراهم می‌کنند. این مولکول‌ها از اجزای کلیدی برای تولید سوخت‌های مایع، مواد شیمیایی و پلاستیک‌ها به شمار می‌روند.
 
تقریباً تمام هیدروکربن‌هایی که امروزه استفاده می‌شوند از منابع فسیلی استخراج می‌شوند، اما روش توسعه‌یافته توسط تیم کمبریج-برکلی، مواد شیمیایی و سوخت‌های پاکی را از دی‌اکسید کربن، آب و گلیسرول (یک ترکیب آلی رایج) تولید می‌کند، بدون اینکه هیچ انتشار اضافی کربنی داشته باشد. نتایج این تحقیق در مجله Nature Catalysis منتشر شده است.
 
این مطالعه بر پایه تحقیقات قبلی این تیم در مورد برگ‌های مصنوعی است که از فرایند فتوسنتز در گیاهان الهام گرفته شده‌اند. فتوسنتز فرآیندی است که طی آن گیاهان نور خورشید را به انرژی شیمیایی تبدیل می‌کنند.
 
دکتر ویرجیل آندری (محقق ارشد این مطالعه از گروه شیمی یوسف حمید در دانشگاه کمبریج)، می‌گوید: «ما می‌خواستیم فراتر از کاهش ساده دی‌اکسید کربن حرکت کنیم و هیدروکربن‌های پیچیده‌تری تولید کنیم، اما این کار به مقدار زیادی انرژی نیاز دارد».
 
برای افزایش بازده و غلبه بر محدودیت‌های انرژی در فرایند تجزیه آب، تیم تحقیقاتی الکترودهای نانوسیمی سیلیکونی را به این سیستم اضافه کرد که به جای آب، قادر به اکسید کردن گلیسرول است.

بنابر گزارش‌ها، این فناوری جدید عملکرد تولید هیدروکربن‌ها را ۲۰۰ برابر بهتر از سیستم‌های قبلی که آب و دی‌اکسید کربن را تجزیه می‌کردند، بهبود بخشیده است.
 
علاوه بر افزایش کارایی کاهش دی‌اکسید کربن، این واکنش محصولات شیمیایی باارزشی مانند گلیسرات، لاکتات و فرمات را تولید می‌کند که در صنایع داروسازی، آرایشی و سنتز شیمیایی کاربرد دارند.

آندری می‌گوید: «گلیسرول معمولاً به عنوان یک ماده زائد در نظر گرفته می‌شود، اما در اینجا نقشی کلیدی در افزایش سرعت واکنش ایفا می‌کند. این نشان می‌دهد که می‌توانیم این پلتفرم را به طیف وسیعی از فرایندهای شیمیایی اعمال کنیم، نه‌فقط برای تبدیل ضایعات».
 
با طراحی دقیق سطح کاتالیزور، امکان کنترل محصولات خروجی و انتخابی‌تر کردن فرآیند فراهم می‌شود.

در حال حاضر، میزان انتخاب‌پذیری این سیستم برای تبدیل CO₂ به هیدروکربن‌ها حدود ۱۰ درصد است، اما محققان امیدوارند با بهینه‌سازی طراحی کاتالیزور، این میزان را به‌طور قابل‌توجهی افزایش دهند.
 
تیم تحقیقاتی قصد دارد این پلتفرم را برای واکنش‌های آلی پیچیده‌تر توسعه دهد، که می‌تواند در تولید مواد شیمیایی پایدار انقلابی ایجاد کند. با پیشرفت بیشتر، این تحقیق می‌تواند گذار به اقتصاد چرخشی و کربن‌خنثی را تسریع کند.
 
آندری در این رابطه می‌گوید: «این پروژه نمونه‌ای عالی از چگونگی همکاری‌های تحقیقاتی جهانی برای دستیابی به پیشرفت‌های علمی تأثیرگذار است. با ترکیب تخصص محققان کمبریج و برکلی، سیستمی توسعه داده‌ایم که ممکن است نحوه تولید سوخت‌ها و مواد شیمیایی ارزشمند را دگرگون کند».
 
گفته می‌شود این پیشرفت می‌تواند گامی مهم در جهت کاهش وابستگی به سوخت‌های فسیلی و کاهش اثرات زیست‌محیطی صنعت انرژی و شیمیایی باشد.