استبدال وقود الكربون بالنيتروجين: طريقة جديدة لتسخير الطاقة
حددت ماديسون طريقة جديدة لتحويل الأمونيا إلى غاز النيتروجين من خلال عملية يمكن أن تكون خطوة نحو الأمونيا تحل محل أنواع الوقود المعتمدة على الكربون.
تم الإبلاغ عن اكتشاف هذه التقنية ، التي تستخدم محفزًا معدنيًا وتطلق الطاقة بدلاً من أن تتطلبها ، في 8 نوفمبر 2021 ، في Nature Chemistry وحصلت على براءة اختراع مؤقتة من مؤسسة Wisconsin Alumni Research Foundation.
يوضح كريستيان والين ، مؤلف الورقة البحثية وباحث ما بعد الدكتوراه السابق في مختبر جون بيري.
الكيميائي في جامعة ويسكونسن ماديسون: "يعمل العالم حاليًا على الاقتصاد في استهلاك الوقود الكربوني".
إنه ليس اقتصادًا عظيمًا لأننا نحرق الهيدروكربونات التي تطلق ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي.
ليس لدينا طريقة لإغلاق الحلقة لدورة كربون حقيقية ، حيث يمكننا تحويل ثاني أكسيد الكربون مرة أخرى إلى وقود مفيد".
للمضي قدمًا نحو هدف الأمم المتحدة المتمثل في أن يصبح العالم محايدًا للكربون بحلول عام 2050.
يجب على العلماء النظر في طرق مسؤولة بيئيًا لتوليد الطاقة من عناصر أخرى غير الكربون.
ويقترح فريق UW-Madison اقتصاد طاقة النيتروجين على أساس عمليات التقارب بين النيتروجين والأمونيا.
كان العلماء متحمسين لاكتشاف أن إضافة الأمونيا إلى محفز معدني يحتوي على عنصر يشبه البلاتين الروثينيوم ينتج النيتروجين تلقائيًا ، مما يعني عدم الحاجة إلى طاقة إضافية.
بدلاً من ذلك ، يمكن تسخير هذه العملية لإنتاج الكهرباء ، باستخدام البروتونات وغاز النيتروجين كمنتجات ثانوية.
بالإضافة إلى ذلك ، يمكن إعادة تدوير المركب المعدني من خلال التعرض للأكسجين واستخدامه بشكل متكرر ، وكلها عملية أنظف بكثير من استخدام الوقود الكربوني.
يقول بيري ، أستاذ الكيمياء في ليستر ماكنال ويركز جهوده البحثية على كيمياء المعادن الانتقالية:
"لقد اكتشفنا أننا لا نصنع النيتروجين فحسب ، بل نصنعه في ظل ظروف غير مسبوقة تمامًا".
"أن تكون قادرًا على إكمال تفاعل الأمونيا إلى النيتروجين في ظل الظروف المحيطة - والحصول على الطاقة - يعد أمرًا مهمًا جدًا".
تم حرق الأمونيا كمصدر للوقود لسنوات عديدة.
خلال الحرب العالمية الثانية ، تم استخدامه في السيارات ، ويفكر العلماء اليوم في طرق لحرقه في المحركات كبديل للبنزين ، لا سيما في الصناعة البحرية.
ومع ذلك ، فإن حرق الأمونيا يطلق غازات أكسيد النيتروجين السامة.
يتجنب التفاعل الجديد تلك المنتجات الثانوية السامة.
إذا تم وضع التفاعل في خلية وقود حيث تتفاعل الأمونيا والروثينيوم على سطح قطب كهربائي ، فيمكن أن ينتج الكهرباء بشكل نظيف دون الحاجة إلى محول حفاز.
يقول والين:
"بالنسبة لخلية الوقود ، نريد ناتجًا كهربائيًا ، وليس مدخلاً".
اكتشفنا مركبات كيميائية تحفز تحويل الأمونيا إلى نيتروجين في درجة حرارة الغرفة ، دون أي جهد مطبق أو مواد كيميائية مضافة.
هذه هي العملية الأولى ، على حد علمنا ، للقيام بذلك.
"أن تكون قادرًا على إكمال تفاعل الأمونيا مع النيتروجين في ظل الظروف المحيطة - والحصول على الطاقة - يعد أمرًا بالغ الأهمية".
- جون بيري
"لدينا بنية تحتية راسخة لتوزيع الأمونيا ، والتي يتم إنتاجها بكميات كبيرة من النيتروجين والهيدروجين في عملية هابر بوش".
كما يقول مايكل ترينري ، طالب دراسات عليا ومؤلف في الورقة.
"يمكن لهذه التكنولوجيا أن تتيح الاقتصاد في استهلاك الوقود الخالي من الكربون ، لكنها نصف اللغز. أحد عيوب تصنيع الأمونيا هو أن الهيدروجين الذي نستخدمه لصنع الأمونيا يأتي من الغاز الطبيعي والوقود الأحفوري ".
ومع ذلك ، فإن هذا الاتجاه يتغير ، حيث يحاول منتجو الأمونيا إنتاج أمونيا "خضراء" ، حيث يتم توفير ذرات الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للمياه المحايدة الكربون بدلاً من عملية هابر بوش كثيفة الاستخدام للطاقة.
نظرًا لمواجهة تحديات تصنيع الأمونيا ، وفقًا لما قاله بيري ، ستكون هناك فوائد عديدة لاستخدام الأمونيا كمصدر طاقة أو وقود مشترك.
إنه قابل للضغط ، مثل البروبان ، وسهل النقل والتخزين.
على الرغم من وجود بعض خلايا وقود الأمونيا بالفعل ، فإنها ، على عكس هذه العملية الجديدة ، تتطلب طاقة إضافية ، على سبيل المثال ، عن طريق تقسيم الأمونيا أولاً إلى نيتروجين وهيدروجين.
تشمل الخطوات التالية للمجموعة معرفة كيفية هندسة خلية وقود تستفيد من الاكتشاف الجديد والنظر في طرق صديقة للبيئة لإنشاء مواد البداية المطلوبة.
يقول ترينري:
"أحد التحديات التالية التي أود التفكير فيها هو كيفية توليد الأمونيا من الماء ، بدلاً من غاز الهيدروجين".
"الحلم هو وضع الماء والهواء وأشعة الشمس لتوليد الوقود".
تعليقات
إرسال تعليق