مقاله
جذب کربن یکی از راهبردهای کلیدی در کاهش (mitigation) پیامدهای تغییرات اقلیمی به‌شمار می‌رود، اما این فرایند با موانع فناورانه متعددی روبه‌رو بوده و می‌تواند بسیار پرمصرف از نظر انرژی و هزینه‌بر باشد. در راستای دستیابی به پیشرفت‌های ضروری در این حوزه، تیمی از پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست (MIT) با پشتیبانی «کنسرسیوم اقلیم و پایداری MIT» در حال بررسی گزینه‌های جایگزین، مقیاس‌پذیر و کم‌مصرف برای روش‌های متداول جذب دی‌اکسید کربن (CO₂) هستند.
فرایند سنتی شست‌وشو با آمین (amine scrubbing) که در حال حاضر روش استاندارد برای جذب دی‌اکسید کربن محسوب می‌شود، انرژی بسیار زیادی مصرف می‌کند و مقیاس‌پذیری آن دشوار است؛ امری که با وجود نیاز مبرم به کاهش انتشار کربن و تبدیل CO₂ به محصولات باارزش، دامنه کارایی آن را محدود می‌سازد. پژوهشگران در مقاله‌ای جدید که در ژورنال نیچر انرژی (Nature Energy) منتشر شده است، به بررسی راهکاری امیدبخش به‌عنوان جایگزین روش‌های متداول جذب کربن پرداخته‌اند. یافته‌های این گروه می‌تواند گامی تحول‌آفرین در دستیابی به سامانه‌های کارآمد و انعطاف‌پذیر جذب و جداسازی کربن باشد.
این تیم پژوهشی در مقاله خود روش جایگزینی موسوم به «جذب دی‌اکسید کربن با واسطه الکتروشیمیایی» (EMCC) را مورد ارزیابی قرار داده است. این رویکرد امکان برقی‌سازی (electrification) فرایند جداسازی CO₂ را — که در حالت ایده‌آل با انرژی‌های تجدیدپذیر تغذیه می‌شود — فراهم می‌آورد. با این حال، این روش در حال حاضر با چالش‌هایی مواجه است؛ از جمله وابستگی به جاذب‌هایی که به پتانسیل‌های کاهشی شدیدی نیاز دارند، شرایطی که در آن واکنش‌های جانبی احیای اکسیژن تشدید شده و در نتیجه کارایی و عملکرد بلندمدت سامانه کاهش می‌یابد. پژوهشگران برای رفع این نقص، کارایی دسته جدیدی از جاذب‌ها موسوم به «ایمین‌های هتروسیکلیک نیتروژن‌دار» (NHIs) را مورد بررسی قرار دادند.
ایمین‌های هتروسیکلیک نیتروژن‌دار در سال‌های اخیر به‌دلیل قابلیت اصلاح آسان ساختار مولکولی جهت تنظیم میزان بازی بودن (قلیاییت)، ظرفیت بالایی به‌عنوان جاذب CO₂ نشان داده‌اند. این پژوهش برای نخستین بار کاربرد NHIها را در حوزه جذب الکتروشیمیایی کربن پیاده‌سازی کرده و نشان می‌دهد که جاذب‌های مبتنی بر NHI را می‌توان از طریق یک سازوکار جداسازی منحصربه‌فرد، بدون نیاز به اعمال پتانسیل‌های کاهشی شدید، برای جداسازی دی‌اکسید کربن به‌صورت الکتروشیمیایی تنظیم کرد.
تحقیقات اولیه این تیم به طراحی یک ساختار نوین بیس-ایمین هتروسیکلیک نیتروژن‌دار [bis(NHI)] منجر شده است که از نظر نظری امکان تنظیم و جداسازی دو مولکول CO₂ به ازای هر الکترون را در طول کارکرد سلول فراهم می‌کند. نتایج اولیه منتشرشده همچنین نشان می‌دهد که با مهندسی مولکولی بیشتر این ساختارها برای تقویت تمایل پیوندی با CO₂، این ترکیبات می‌توانند در محیط‌های الکترولیتی متنوع‌تری عمل کنند؛ موضوعی که فرصت‌های جدیدی را برای بهینه‌سازی عملکرد سامانه از نظر بازدهی الکترونی، بهره‌وری انرژی و انعطاف‌پذیری عملیاتی ایجاد می‌کند.
یکی از اهداف کلیدی آینده این پژوهش، دستیابی به درک سازوکاری عمیق‌تر از مسیرهای پایداری و تخریب کاتیون رادیکال bis(NHI) است. درک این مسیرها امکان طراحی هدفمند نسل بعدی مولکول‌های bis(NHI) را فراهم کرده و دستیابی به طول عمر عملیاتی بالاتر و دوام چرخه‌ای بیشتر را برای کاربردهای عملی و صنعتی ممکن می‌سازد.
